방사선 방출 자극에 의한 음향 증폭

Sound amplification by stimulated emission of radiation
포논 레이저 장치

방사선의 방출 자극에 의한 음향 증폭(SASER)은 음향방사선을 방출하는 장치를 말한다.[1]그것은 레이저 광선의 사용과 유사하게 다양한 종류의 응용 분야에서 정확하고 고속의 정보 전달자 역할을 할 수 있는 방식으로 음파를 집중시킨다.[citation needed]null

음향방사선(음파)은 포논의 자극적인 방출에 기초한 음향 증폭 과정을 이용하여 방출할 수 있다.음향(또는 격자 진동)은 빛을 광자로 간주할 수 있는 것과 마찬가지로 음소음(또는 격자 진동)으로 설명할 수 있으며, 따라서 SASER가 레이저의 음향 아날로그라고 말할 수 있다.[citation needed]null

SASER 장치에서는, 소스(예: 펌프로서의 전기장)가 활성 매체를 통해 이동하는 음파(격자 진동, 음파)를 생성한다.이 활성 매체에서는 자극된 음파 방출로 인해 음파가 증폭되어 장치에서 음향 빔이 나온다.그러한 장치에서 방출되는 음파 빔은 매우 일관성이 있다.null

최초의 성공적인 SASER는 2009년에 개발되었다.[2][3]null

용어.

전자파 방사선의 피드백 내장 파동(즉, 레이저 빔) 대신 SASER가 음파를 전달한다.SASER는 포논 레이저, 음향 레이저 또는 사운드 레이저라고도 할 수 있다.[citation needed]null

사용 및 응용 프로그램

SASER는 광범위한 애플리케이션을 가질 수 있다.테라헤르츠 주파수 초음파 조사를 용이하게 하는 것 외에도, SASER는 신호 변조 및/또는 전송의 방법으로 광전자(예를 들어 광섬유 등의 끝에서 다른 쪽까지 신호를 전송하는 방법으로서 빛을 감지하고 제어하는 전자 장치)에서도 사용할 수 있다.[4]null

그러한 장치는 고 정밀 측정 기기일 수 있으며 높은 에너지 집중 소리를 초래할 수 있다.null

반도체 내부의 전자를 조작하기 위해 SASER를 사용하면 이론적으로 현재의 칩보다 훨씬 빠른 테라헤르츠 주파수 컴퓨터 프로세서가 발생할 수 있다.[5]null

역사

이 개념은 레이저 이론과 유사하게 상상함으로써 더욱 상상할 수 있다.시어도어 마이먼은 1960년 5월 16일 캘리포니아주 말리부의 휴즈 연구소에서 최초의 기능을 하는 레이저를 작동시켰다.[6] "방사선의 자극적 방출에 의한 음향 증폭" 이론의 중심 개념에 따라 작동하는 장치는 열음향 레이저다.이것은 파이프에 삽입된 특수 다공성 물질에 걸쳐 열차이가 있는 반쯤 열린 파이프다.가벼운 레이저와 마찬가지로, 열음향 SASER는 고Q의 캐비티를 가지고 있고 일관성 있는 파동을 증폭시키기 위해 게인 매개체를 사용한다.자세한 설명은 열음향 열 엔진을 참조하십시오.null

포논 레이저 작용의 가능성은 나노기계, 반도체, 나노마그네틱스, 격자속의 파라마그네틱 이온과 같은 광범위한 물리적 시스템에서 제안되었다.[7][8]null

SASER의 개발을 위해서는 배기가스를 자극하는 소재를 찾아야 했다.이중 배리어 반도체 이질구조에서 일관성이 있는 음소의 세대는 1990년경에 처음 제안되었다.[9]격자의 진동 모드에서 전위 에너지의 변환은 이중 배리어 구조의 전자적 구속에 의해 현저하게 촉진된다.이를 근거로 물리학자들은 자발적 배출이 아닌 방출 자극이 지배적인 붕괴 과정인 물질을 찾고 있었다.장치는 2009년에 Gigaherz 범위에서 처음으로 실험적으로 입증되었다.[10]null

2010년에 발표된 두 개의 독립된 그룹은 메가헤르츠에서 테라헤르츠 범위의 어떤 주파수에서도 일관성 있는 음소를 생산하는 두 개의 다른 장치를 고안했다.노팅엄 대학의 한 그룹은 A.J. 켄트와 그의 동료 R.P. 비어들리, A.V.로 구성되었다.아키모프, W. 마리암, M.헤니니.캘리포니아 공과대학교(Caltech)의 다른 그룹은 이반 S.그루딘, 한수크 리, 오. 페인터, 칼텍의 케리 J. 바할라 등으로 구성되었으며, 음핵 레이저 액션에 대한 연구를 2단계 시스템에 적용하였다.노팅엄 대학교 장치는 약 440 GHz에서 작동하며 칼텍 장치는 메가헤르츠 범위에서 작동한다.노팅엄 그룹의 멤버에 따르면, 이 두 가지 접근방식은 상호 보완적이며, 메가헤르츠에서 테라헤르츠 범위의 어떤 주파수에서도 일관된 음소를 만들기 위해 하나의 장치나 다른 장치를 사용하는 것이 가능해야 한다.[11]중요한 결과는 이러한 기기의 작동 주파수에서 발생한다.두 장치 사이의 차이는 SASER가 광범위한 주파수에서 작동하도록 만들어질 수 있음을 시사한다.null

노팅엄 대학, 우크라이나 국립과학원 라쉬카레프 반도체물리연구소, 칼텍 등에서 SASER에 대한 연구가 계속되고 있다.null

디자인

SASER의 중심 아이디어는 음파를 기반으로 한다.방사선 방출 자극에 의한 음향 증폭 구현에 필요한 설정은 오실레이터와 유사하다.오실레이터는 외부 피드-메커니즘 없이 진동을 발생시킬 수 있다.마이크, 앰프, 스피커를 갖춘 일반적인 음향 증폭 시스템이 그 예다.마이크가 스피커 앞에 있을 때 우리는 짜증나는 휘파람 소리를 듣는다.이 휘파람은 음원의 추가 기여 없이 생성되며, 마이크가 스피커 앞 어딘가에 있는 동안 자가 보강 및 자급자족한다.라르센 효과로 알려진 이 현상은 긍정적인 피드백의 결과물이다.null

레이저와 SASER 장치 사이의 유사성을 고려해야 한다.일반 레이저 구성 요소:
  1. 중간값 얻기
  2. 레이저 펌프 에너지
  3. 하이 리플렉터
  4. 출력 커플러
  5. 레이저 빔

일반적으로 모든 오실레이터는 크게 세 부분으로 구성된다.이것들은 출력으로 이어지는 동력원이나 펌프, 앰프 및 양의 피드백이다.SASER 기기의 해당 부품은 흥분 또는 펌핑 메커니즘, 활성(증폭) 매체 및 음향 방사선으로 이어지는 피드백이다.예를 들어, 펌핑은 교류 전기장 또는 공명기의 기계적 진동으로 수행될 수 있다.활성 매체는 소리 증폭을 유도할 수 있는 재료여야 한다.능동 매체에 대한 피드백 메커니즘의 예로는 음핵을 다시 반사시켜 반복적으로 튕겨 소리를 증폭시키는 초박막 층이 존재한다는 것이다.null

따라서 SASER 설계를 이해하려면 레이저 장치와 유사하게 상상해야 한다.레이저에서 활성 매체는 Fabry-Pérot 인터페로미터의 두 거울 표면(반사기) 사이에 위치한다.이 간섭계 내부에서 자연적으로 방출되는 광자는 흥분된 원자가 동일한 주파수, 동일한 운동량, 동일한 양극화 및 동일한 단계의 광자를 붕괴하도록 강제할 수 있다.광자의 운동량(벡터로서)은 거울의 축과 거의 평행하기 때문에 광자가 여러 개의 반사를 반복하여 광자를 점점 더 따라다니도록 강요하여 눈사태 효과를 내는 것이 가능하다.이 일관성 있는 레이저 빔의 광자 수는 손실 때문에 소멸되는 광자의 수를 증가시키고 경쟁한다.레이저 방사선의 생성을 위해 기본적으로 필요한 조건은 인구 역전이며, 이는 신나는 원자와 타악기 유도 또는 외부 방사선 흡수에 의해 달성될 수 있다.SASER 기기는 이 절차를 소스 펌프를 사용하여 음원을 유도하는 방식으로 모방한다.이 음향 빔은 광학 공동에서가 아니라 다른 활성 매체에서 전파된다.능동형 매체의 한 예는 초유형이다.초박막은 두 개의 다른 반도체의 초박막 격자로 구성될 수 있다.이 두 반도체 물질은 서로 다른 대역 간극을 가지고 있으며 양자 우물을 형성하는데, 양자 우물은 입자들이 3차원이 아닌 2차원으로 이동하도록 제한하여 평면 지역을 차지하도록 하는 잠재적 우물이다.슈퍼레이티에서는 구조를 통한 전하 흐름 조건에 영향을 미치는 새로운 선택 룰이 구성된다.이 셋업이 소스에 의해 흥분하면, 음핵은 격자 레벨을 반사하는 동안 증식하기 시작하여, 초고주파 음핵 빔의 형태로 격자 구조에서 탈출한다.null

반도체 레이어(AlAs, GaAs)의 초박막 구조.음향파가 증폭됨

즉, 음핵의 조합된 방출은 일관성 있는 소리로 이어질 수 있고 조합된 음핵 방출의 예는 양자 우물에서 나오는 방출이다.이것은 레이저와 유사한 경로에 서 있는데, 많은 원자로부터의 빛의 결합된 자극 방출에 의해 논리적인 빛이 쌓일 수 있다.SASER 장치는 격자(phonon)의 단일 진동 모드로 전위 에너지를 변환한다.[12]null

증폭이 이뤄지는 매체는 반도체 얇은 층이 쌓여 함께 양자 우물을 형성하는 구조다.이러한 우물에서 전자는 에너지의 밀리렉트론볼트의 초음파 소포에 의해 흥분할 수 있다.이 에너지의 양은 0.1에서 1THz의 주파수에 해당한다.null

물리학

크리스탈을 통한 진동 진행의 정상 모드 1D.움직임의 진폭은 보기 쉽도록 과장되었다. 실제 결정에서는 일반적으로 격자 간격보다 훨씬 작다.격자의 진동 에너지는 모든 흥분 시 별개의 값을 취할 수 있다.이 모든 "흥분 패키지"는 포논이라고 불린다.

빛이 광자라 불리는 입자로 구성된 것으로 간주되는 파동 운동인 것처럼, 우리는 고체의 정상적인 진동 모드를 입자처럼 생각할 수 있다.격자진동의 양자(퀀텀)를 포논이라고 한다.격자 역학에서 우리는 결정의 일반적인 진동 모드를 찾기를 원한다.즉, 우리는 그들의 파동 벡터 k의 함수로서 음소의 에너지(혹은 주파수)를 계산할 필요가 있다. 주파수 Ω과 파동 벡터 k의 관계를 포논 분산이라고 한다.null

빛과 소리는 다양한 면에서 비슷하다.둘 다 파동 단위로 생각할 수 있고, 양자역학 단위로 나온다.빛의 경우 우리는 광자를 가지고 있고 소리에서는 음소를 가지고 있다.음과 빛 모두 퀀텀의 임의 모음(예: 전구가 방출하는 빛) 또는 조정된 형태로 이동하는 질서 있는 파동(예: 레이저 광)으로 만들어질 수 있다.이 병렬론은 레이저가 빛과 함께 있는 것처럼 소리로 실현 가능해야 한다는 것을 암시한다.21세기에는 인간이 들을 수 있는 범위(약 20kHz)에서 무작위 또는 질서정연한 형태로 저주파 사운드를 만들기 쉽다.그러나, 포논 레이저 어플리케이션의 체계의 테라헤르츠 주파수에서는 더 많은 어려움이 발생한다.이 문제는 소리가 빛보다 훨씬 느리게 움직인다는 사실에서 비롯된다.이것은 소리의 파장이 주어진 주파수에서 빛보다 훨씬 짧다는 것을 의미한다.질서정연하고 일관성 있는 음소를 만들어 내는 대신 테라헤르츠 소리를 낼 수 있는 레이저 구조물은 음소를 무작위로 방출하는 경향이 있다.연구자들은 다양한 접근법을 따라 테라헤르츠 주파수 문제를 극복했다.칼텍의 과학자들은 음핵의 특정 주파수만 방출할 수 있도록 하는 한 쌍의 미세한 충치를 조립함으로써 이 문제를 극복했다.이 시스템은 또한 마이크로캐비티의 상대적인 분리를 변화시킴으로써 서로 다른 주파수의 음소를 방출하도록 조정될 수 있다.반면 노팅엄 대학의 그룹은 다른 접근법을 취했다.그들은 양자 우물이라고 알려진 일련의 구조를 통해 움직이는 전자들로 그들의 장치를 만들었다.간단히 말해서, 전자가 하나의 양자 우물에서 다른 이웃의 우물까지 깡충깡충 뛰면서 그것은 음소를 생산한다.null

외부 에너지 펌핑(예: 광선 또는 전압)은 전자의 소화를 도울 수 있다.상위 상태 중 하나에서 전자의 이완은 광자 또는 음소의 방출에 의해 발생할 수 있다.이것은 음소와 광자의 상태의 밀도에 의해 결정된다.상태 밀도는 전자가 점유할 수 있는 에너지 간격(E, E + dE)에서 체적 단위당 상태 수입니다.음소와 광자는 모두 보손이므로 보스-아인슈타인 통계에 따른다.이는 같은 에너지를 가진 보손들이 우주에서 같은 자리를 차지할 수 있기 때문에, 포논과 광자는 힘 전달 입자이고 정수 스핀을 가지고 있다는 것을 의미한다.광자 영역보다 음소 영역에서 점유할 수 있는 주들이 더 많다.따라서, 음운장 내 단자 상태의 밀도가 광자장(최대 ~105)에서 이를 초과하기 때문에 음운 방출은 훨씬 가능성이 높은 사건이다.[13][14]우리는 또한 전자의 소화가 격자의 진동으로, 따라서 음소 생성으로 이어지는 개념을 상상할 수 있었다.격자의 진동 에너지는 모든 흥분 시 별개의 값을 취할 수 있다.이 모든 "흥분 패키지"는 포논이라고 불린다.전자는 흥분된 상태로 너무 오래 머물지 않는다.그것은 에너지를 쉽게 방출하여 안정된 낮은 에너지 상태로 돌아온다.전자는 임의의 방향과 임의의 시간에 에너지를 방출한다.어떤 특정한 시기에, 어떤 전자들은 흥분하는 반면 다른 전자들은 시스템의 평균 에너지가 가능한 가장 낮은 방식으로 에너지를 잃는다.null

성장 방향(z)을 따라 전도 및 발란스 밴드의 GaAs/AlAs 슈퍼래티트와 잠재적 프로필.

그 시스템에 에너지를 공급함으로써 우리는 인구 역전을 달성할 수 있다.이것은 시스템에서 가장 낮은 에너지 상태의 전자보다 흥분된 전자가 더 많다는 것을 의미한다.전자가 에너지를 방출할 때(예: 포논) 그것은 에너지를 방출하기 위해 또 다른 흥분된 전자와 상호작용한다.따라서 우리는 자극적인 방출이 있는데, 이는 많은 에너지(예: 음향방사선, 음운기)가 동시에 방출된다는 것을 의미한다.자극된 방출은 우리가 자발적인 배출과 유도된 배출이 동시에 일어나는 절차라고 언급할 수 있다.유도된 방출은 펌핑 절차에서 나온 다음 자발적 배출에 추가된다.null

SASER 기기는 펌핑 메커니즘과 활성 매체로 구성되어야 한다.예를 들어, 펌핑 절차는 공진기의 기계적인 진동에 의해 유도될 수 있으며, 활성 매체에서 음향 증폭이 뒤따른다.SASER가 레이저와 현저히 유사한 원리로 작동한다는 사실은 관련 작동 상황을 보다 쉽게 이해할 수 있게 할 수 있다.피드백에 의해 구축된 전자파 복사 전위파 대신에, SASER는 강력한 음파를 전달한다.지금까지 GHZ-TZ의 음향 증폭 방법들이 제안되었다.어떤 것들은[15][16] 이론적으로만 탐구되었고 다른 것들은 비논리적인 실험에서 탐구되었다.null

우리는 100 GHz에서 1 THz의 음향 파장은 나노미터 범위에서 파장을 가지고 있다는 것에 주목한다.노팅엄 대학에서 행해진 실험에 따른 음향 증폭은 반도체 슈퍼레이츠에서 유도된 전자 폭포에 기초할 수 있다.전자의 에너지 수준은 초밀도 층에 갇혀 있다.전자가 초막에서 갈륨 비소 양자 우물 사이를 뛸 때 그들은 음소를 방출한다.그리고, 한 개의 음핵이 들어가, 초막에서 두 개의 음핵이 나온다.이 과정은 다른 음운에 의해 자극을 받은 다음 음향 증폭을 일으킬 수 있다.전자가 추가되면 단파장(테라헤르츠 범위 내) 음소가 생성된다.전자는 격자 안에 존재하는 양자 우물에만 국한되기 때문에, 그들의 에너지의 전달은 그들이 생성하는 음소에 달려 있다.이 음핵들이 격자 안의 다른 층을 타격할 때, 그들은 전자를 자극하고, 이것은 더 많은 전자를 흥분시키기 위해 계속되는 더 많은 음핵을 생산한다.결국 매우 좁은 고주파 초음파 빔이 장치를 빠져나간다.반도체 슈퍼레이츠는 어쿠스틱 미러로 사용된다.이러한 초박막 구조는 광학에서 다층 유전 거울과 유사하게 다층 분포 Bragg 반사경의 이론을 따르는 적절한 크기여야 한다.null

제안된 계획 및 장치

SASER 개발에 대한 기본적인 이해는 SASER 장치 및 SASER 이론 체계의 일부 제안된 예에 대한 평가가 필요하다.null

활성 매개체로 기포가 있는 액체

이 제안된 이론적 체계에서 활성 매체는 분산된 입자가 균일하게 분포하는 액체 유전체(예: 일반 증류수)이다.[17]전기분해수단은 분산된 입자 역할을 하는 기포를 발생시킨다.활성 매체에서 흥분한 펌핑 파동은 분산된 입자(가스 기포)의 부피에 대해 주기적인 변화를 일으킨다.입자의 초기 공간 분포가 균일하기 때문에 입자가 발산하는 파동은 상이 다른 파장을 더하고 평균 0을 준다.그럼에도 불구하고 활성 매체가 공명기에 위치하면 그 안에서 스탠딩 모드가 흥분될 수 있다.그리고 나서 입자들은 음향 복사력의 작용으로 뭉친다.이 경우 기포의 진동은 자가 동기화되어 유용한 모드가 증폭된다.[18]null

이것과 프리 일렉트로닉 레이저의 유사성은 이 계획의 이론적 개념을 이해하는 데 유용하다.FEL에서 전자는 전자기 방사선을 생성하는 자기 주기 시스템을 통해 이동한다.[19]전자의 방사선은 처음에는 일관성이 없지만, 유용한 전자파와의 상호작용 때문에 위상에 따라 뭉치기 시작하고 그들은 일관성이 있게 된다.따라서 전자기장은 증폭된다.null

전기 펌프 SASER 다이어그램 - 활성 매체는 견고한 벽에 의해 공명기에서 제한된다.전자파 시스템은 유용한 음향 모드와 음향 방사선을 유도하는 주기적인 전기장을 생성한다.

우리는 초음파를 생성하기 위해 주로 사용되는 압전 방사기의 경우, 작업 표면만 방사하므로 작업 시스템은 2차원이라는 점에 주목한다.한편, 방사능 장치의 방출 자극에 의한 음 증폭은 활성 매체의 전체 부피가 방사하기 때문에 3차원 시스템이다.null

활성 중질-액체 혼합물이 공명기를 채운다.액체의 거품 밀도는 처음에 우주에서 균일하게 분포한다.그러한 매질에서 파동이 전파되기 때문에 펌프파는 추가적인 준주기파의 출현으로 이어진다.이 파동은 방사선 압력력의 작용에 따른 거품 밀도의 공간적 변화와 결합된다.따라서, 파동의 진폭과 거품 밀도는 진동 기간에 비해 천천히 변화한다.null

공진기의 사용이 필수적인 이론적 계획에서 SASER 방사선은 공진기 벽을 통과하며, 이는 펌프파의 전파 방향과 수직이다.전기 펌프 SASER의 예에 따르면 활성 매체는 공명기의 단단한 벽으로 정의되는 두 평면 사이에 제한된다.[20]그러면 방사선은 두 공명기 벽에 의해 정의된 평면에 평행한 축을 따라 전파된다.기포와 함께 액체에 작용하는 정전기장은 유전체의 변형을 초래하여 입자의 부피에 변화를 가져온다.우리는 매체의 전자기파가 동일한 매체의 음속보다 훨씬 큰 속도로 전파된다는 점에 주목한다.이는 거품에 작용하는 효과적인 펌프파가 공간 좌표에 따라 달라지지 않는다는 가정으로 귀결된다.계통 내 파동펌프의 압력은 역파의 외형과 계통의 역동적인 불안정성을 모두 초래한다.null

수학적 분석에 따르면 진동이 발생하기 위해서는 두 가지 유형의 손실을 극복해야 한다.[21]첫 번째 유형의 손실은 활성 중형 내부의 에너지 분산과 관련되며, 두 번째 유형의 손실은 공명기 끝에 있는 방사선 손실에 기인한다.이러한 유형의 손실은 공명기에 저장된 에너지의 양과 반비례한다.일반적으로 방사기의 불균형은 출발 조건의 수학적 계산을 시도하는데 있어서 어떤 역할도 하지 않는다.공진 주파수가 펌프 주파수에 가까운 기포는 유용한 모드를 얻는 데 주된 기여를 한다.이와는 대조적으로 일반 레이저에서 출발 압력의 결정은 방사기의 수와 무관하다.유용한 모드는 입자의 수에 따라 증가하지만 동시에 음향 흡수도 증가한다.이 두 가지 요인은 모두 서로를 중화시킨다.버블은 SASER에서 에너지 분산에 주된 역할을 한다.null

1995년경[22] 활성 매체가 도입됨에 따라 기체 거품을 이용한 방사선 방출 자극에 의한 음향 증폭 관련 제안 방식. 펌핑은 원통형 공명기의 기계적 진동으로 생성되며, 기포의 위상 뭉치는 음향 복사력에 의해 실현된다.주목할 만한 사실은 기포가 외부 작용에 의해서만 진동할 수 있을 뿐 자연적으로 진동할 수는 없다는 것이다.다른 제안된 계획에 따르면, 원통형 공명기에서 분산된 입자 볼륨의 전극 진동은 교번 전자기장에 의해 실현된다.그러나, 펌프로서 전기장이 교대로 있는 SASER 구조는 한계가 있다.증폭을 실현하기 위해서는 매우 큰 전기장 진폭(최대 수십 kV/cm)이 필요하다.그러한 값은 액체 유전체의 전기적 펑크 강도에 접근한다.따라서 한 연구는 이러한 제한 없이 SASER 체계를 제안한다.펌핑은 실린더의 방사상 기계적 맥동에 의해 생성된다.이 실린더에는 기포가 있는 액체 유전체라는 활성 매체가 들어 있다.방사선이 실린더의 얼굴을 통해 방출된다.null

결합 양자 우물에서의 좁은 간격의 간접 반도체 및 익시턴

러시아 모스크바 분광학연구소(Institute of Spectroscopy)의 한 단체로부터 공명음향전환에 대한 포논 레이저 개발 제안이 소개됐다[23].꾸준히 자극받은 포논 세대를 위한 두 가지 계획이 언급되었다.첫 번째 계획은 전자-홀 재조합의 원폰 전환 공진으로의 조율이 외압, 자기장 또는 전장에 의해 수행될 수 있는 좁은 갭 간접 반도체 또는 아날로그 간접 갭 반도체 이질 구조를 이용한다.두 번째 계획은 결합 양자 우물에서 직접 및 간접 익시톤 수준 사이의 원폰 전환을 사용한다.우리는 익시톤은 응축된 물질의 기본적인 흥분 상태를 설명하는 전기적으로 중립적인 퀘이시프 기사라는 점에 주목한다.순전하를 수송하지 않고도 에너지를 수송할 수 있다.이 전환의 공명에 대한 튜닝은 외부 평면 자기장과 일반 전기장에 의한 간접 흥분제의 분산 공학에 의해 달성될 수 있다.null

브릴루인 구역, a) 사각 격자, b) 육각 격자

두 번째 제안 방식에서 음소파 벡터의 크기는 평면 내 자기장의 크기에 의해 결정되어야 한다.따라서 그러한 종류의 SASER는 튜닝이 가능하다(즉, 작동 파장은 제어된 방식으로 변경될 수 있다).null

일반적인 반도체 레이저들은 직격탄 반도체에서만 실현될 수 있다.그 이면의 추리는 간접 갭 반도체에서 그들의 띠의 미니마 근처에 있는 전자와 구멍 한 쌍이 에너지와 운동량 보존법칙으로 인해 음원과 광자의 생산만으로 재결합할 수 있다는 것이다.이러한 공정은 직접 반도체에서 전자홀 재조합에 비해 약하다.결과적으로, 이러한 전환의 펌핑은 안정적인 레이저 생성을 얻기 위해 매우 강력해야 한다.따라서, 하나의 입자(광자)만 생성하는 래싱 전환은 공명되어야 한다.이것은 안정적 형태로 발생하기 위해서는 모멘텀과 에너지 절약법에 의해 임대 전환이 허용되어야 한다는 것을 의미한다.광자는 무시할 수 있는 파장 벡터를 가지고 있기 때문에 밴드 극단은 브릴루인 구역과 같은 위치에 있어야 한다. 반면에 SASER와 같은 장치의 경우 음향 음소폰은 상당한 분산을 가진다.역학에 따르면, 이것은 레이저가 작동해야 하는 수준이 서로 상대적으로 k-space에 있어야 한다는 진술로 이어진다.K-공간이란 위치와 시간이 아닌 탄력과 빈도 면에서 사물이 존재하는 공간을 말한다.실제 공간과 k-공간 사이의 변환은 푸리에 변환이라 불리는 수학적 변환이므로 k-공간은 푸리에 공간이라고도 할 수 있다.null

우리는 광자 레이싱 레벨의 에너지 차이가 적어도 반도체의 데비에 에너지보다 작아야 한다는 점에 주목한다.여기서 우리는 데비에 에너지를 격자의 진동 모드와 관련된 최대 에너지로 생각할 수 있다.이러한 수준은 좁은 간격의 간접 반도체에서 전도 대역과 발란스 밴드에 의해 형성될 수 있다.null

SASER 시스템으로서의 간극형 간접반도체

압력이나 자기장의 영향을 받는 반도체의 에너지 격차는 약간 다르므로 고려할 가치가 없다.한편, 좁은 틈의 반도체에서는 이러한 에너지의 변화가 상당하므로 외압이나 자기장이 원폰 인터밴드 전환의 공명으로 튜닝하는 목적을 달성할 수 있다.대역 간 전환은 전도 대역과 발란스 대역 사이의 전환이라는 점에 유의한다.직접반도체 대신 간접반도체를 고려한 것이다.그 이면의 추리는 반도체의 k-selection 규칙으로 인해 단 하나의 포논 생산으로 인한 인터밴드 전환이 광학 포논을 생산하는 것만이 될 수 있다는 사실에서 나온다.그러나 광학성 음핵은 수명이 짧고(조화성으로 인해 둘로 갈라짐) 따라서 몇 가지 중요한 합병증을 더한다.여기서 우리는 음향 포논 생성의 다단계 프로세스의 경우에도 SASER를 생성할 수 있다는 것을 알 수 있다.[24][25]null

GaAs에서 격자 진동에 해당하는 일부 파형에 대한 분산 관계 Ω=Ω(k)[26]

에너지 간극 0.15~0.3eV의 찰코제네이드 PbTe, PbSe, PbS 등이 활용 가능한 간극 간접반도체의 예다.같은 방법으로, 발란스와 전도대역 사이의 모멘텀 공간에서 간접적으로 간격이 좁은 반도체 이질구조(다양한 반도체의 레이어)를 사용하는 것이 더 효과적일 수 있다.이는 계층의 공간적 분리가 외부 전기장에 의해 대역 간 공명으로의 전환을 조정할 수 있는 가능성을 제공하기 때문에 더욱 유망할 수 있다.여기서 필수적인 진술은 이 제안된 포논 레이저가 반도체의 에너지 갭보다 온도가 훨씬 낮아야만 작동할 수 있다는 것이다.null

이 이론적 체계를 분석하는 동안 단순성 이유로 몇 가지 가정이 도입되었다.펌핑 방법은 시스템을 전기중립적으로 유지하며 전자와 홀의 분산 법칙은 포물선과 등방성으로 가정한다.또한 포논 분산 법칙은 선형적이고 등방성이 요구된다.[27]시스템 전체가 전기중립적이기 때문에 펌핑하는 과정은 같은 비율로 전자와 구멍을 만든다.수학적 분석은 단위 부피당 하나의 음운모드 당 전자-홀 쌍의 평균 개수에 대한 방정식으로 이어진다.낮은 손실 한도의 경우, 이 방정식은 p–n 전환 시 일반적인 포논 레이저에 비해 다소 중간인 SASER의 펌핑 속도를 제공한다.null

결합 양자 유정에서의 튜닝 가능한 익시톤 전환

양자 우물은 기본적으로 입자가 3차원이 아닌 2차원으로 움직일 수 있도록 제한하여 입자가 평면 영역을 차지하도록 하는 잠재적 우물이라고 언급되어 왔다.결합 양자 우물에서는 전자와 구멍이 익시톤으로 결합되는 두 가지 가능한 방법이 있다: 간접 익시톤과 직접 익시톤이다.간접 exiciton에서는 전자와 홀이 서로 다른 양자 우물 안에 있는데, 이는 전자와 홀이 같은 우물 안에 있는 직접 exiciton과는 대조적이다.양자 우물이 동일한 경우, 두 수준 모두 2배 변질성을 갖는다.직접 익시톤 레벨은 쿨롱 상호작용의 증가로 간접 익시톤 레벨보다 낮다.또한 간접 익시톤은 결합 양자 웰에 정상인 전기 쌍극자 모멘텀을 가지고 있고 따라서 움직이는 간접 익시톤은 그 속도에 수직인 평면 내 자력 모멘텀을 가진다.전기 쌍극자와 일반 전기장의 상호작용은 간접 흥분제 하위 수준 중 하나를 낮추고 충분히 강한 전기장에서 이동 간접 흥분제는 지상 흥분제 수준이 된다.이러한 절차를 염두에 두고 자기 쌍극장과 평면 내 자기장 사이의 상호작용을 위해 속도를 선택할 수 있다.이것은 방사능 구역에서 멀리 떨어져 있는 분산 법칙의 최소값을 대체한다.이것의 중요성은 결합 양자 유정에 정상인 전기장과 평면 내 자기장이 간접 흥분제의 분산을 조절할 수 있다는 사실에 있다.전환을 조정하기 위해서는 정상적인 전기장이 필요하다: 직접 exiciton --> 간접 exiciton + fononon을 공명으로 하고 그 크기는 평면 내 자기장의 크기로 선형 함수를 형성할 수 있다.우리는 이 체계의 수학적 분석에서 가로 음향(TA) 음운 대신 세로 음향(LA) 음운을 고려한다는 점에 주목한다.이것은 좀 더 간단한 수치 추정을 목표로 한다.일반적으로 가로 음향(TA) 음소의 선호도는 TA 음소가 LA 음소보다 낮은 에너지와 수명을 가지기 때문에 더 좋다.따라서 전자 서브시스템과의 상호작용은 약하다.또한 단순한 정량적 평가에는 레이저 조사에 의해 수행되는 직접 호기톤 수준의 펌핑이 필요하다.null

이 계획의 추가 분석은 직접 익시톤, 간접 익시톤 및 음소폰 모드에 대한 미분 방정식을 확립하는 데 도움이 될 수 있다.이러한 방정식의 해법은 별도로 포논과 간접 익시톤 모드는 명확한 단계가 없으며, 각 단계의 합만 정의된다.여기서의 목적은 다소 적당한 펌핑 속도를 가진 이 계획의 작동이 결합 양자 유정에서의 엑시톤이 음운에 비해 낮은 치수성을 가지고 있다는 사실에 대항할 수 있는지 확인하는 것이다.따라서 결합된 양자 우물 안에 국한되지 않은 음소가 고려된다.예를 들어 AlGaAs/GaAs 이질적인[28] 구조에 있는 종방향 광학(LO) 축음기가 그 예로서, 이 제안된 시스템에서 제시된 축음기는 3차원이다.[29]음소와 엑시톤의 치수 차이는 상위 레벨이 음소장의 많은 상태로 변하게 한다.이 정보를 특정 방정식에 적용함으로써 우리는 원하는 결과를 얻을 수 있다.포논과 익시톤 치수의 차이에도 불구하고 레이저 펌핑에 대한 추가 요건은 없다.null

튜닝형 2레벨

포논 레이저 작용은 광범위한 물리적 시스템(예: 반도체)에서 기술되어 왔다.캘리포니아 공대 응용물리학부(Caltech)의 2012년 간행물에는 2단 레이저 시스템과 밀접하게 유사하게 작동하는 무선 주파수 기계 모드가 결합된 복합 마이크로 캐비티 시스템의 시연이 소개되어 있다.[30]null

이 복합 마이크로 캐비티 시스템은 "포토닉 분자"[31][32]라고도 불릴 수 있다.전기 시스템의 혼합된 궤도는 이 광자 분자의 광학 슈퍼모드로 대체되는 반면, 해당하는 에너지 수준 사이의 전환은 음소장에 의해 유도된다.광학 마이크로 레조네이터의 일반적인 조건의 경우 광자 분자는 2레벨 레이저 시스템으로 작용한다.그럼에도 불구하고 활성 매체의 역할과 캐비티 모드(레이저 필드) 사이에는 기이한 역전 현상이 있다.매체는 순전히 광학적으로 되고 레이저 장은 물질에 의해 음운모드로 제공된다.null

반대로 하면 이득이 발생하여 약 7μW의 펌프 출력 임계값을 초과하는 음소 레이저 작용을 일으킨다.제안된 장치는 무선 주파수에서 마이크로파 속도에 이르는 기계적 모드를 선택적으로 증폭시키는 연속적인 조정 가능한 이득 스펙트럼으로 특징지어진다.브릴루인 과정으로 보는 이 시스템은 포논이 스톡스 웨이브 역할을 하는 정권에 접근한다.[33]스톡스파(Stokes wave)는 일정한 평균 깊이의 불규칙한 유체(점도가 없는 것으로 가정되는 이상 유체) 층에 있는 비선형 및 주기적인 표면파를 말한다.이러한 이유로, 포논과 포논 레이저 제도 사이에서 조절 가능한 전환도 가능해야 한다.null

복합 광학 마이크로캐비티 시스템은 유익한 스펙트럼 제어를 제공한다.이러한 제어장치는 포논 레이저 작용과 냉각 모두에 영향을 미치며 전환 에너지가 포논 에너지에 비례하는 일부 미세한 간격의 광학 수준을 정의한다.이러한 수준 스페이싱은 광학 커플링을 상당히 조정하여 연속적으로 조정할 수 있다.따라서 일부 캐비티 광학 현상과는 대조적으로 조정 가능한 라인 중심 주변에서 증폭과 냉각이 발생한다.이러한 미세한 간격의 레벨의 생성은 광학 미세공간 치수를 증가시킬 필요가 없다.따라서 이러한 미세한 간격 수준은 광역학 교호작용 강도에 유의한 정도로 영향을 미치지 않는다.[34]이 접근방식은 방사선 압력에[35] 의해 유도된 모듈 간 결합을 사용하며 음소를 검출하기 위해 광학적으로 선택적인 평균을 제공할 수도 있다.더욱이 이러한 종류의 실험에서는 모듈 간 냉각의 일부 증거가 관찰되므로 광학 냉각에 관심이 있다.[36]전체적으로 여러 개의 결합된 공명기를 사용하는 다단계 시스템에 대한 확장이 가능하다.null

2단계 시스템의 표현.우리는 유도된 흡수, 자발적인 배출, 그리고 유도된 배출물을 볼 수 있다.

2단계 시스템

2단계 시스템에서 입자는 일부 에너지 차이로 분리된 2개의2 가용 에너지 수준만 가진다. 여기서 Δν = E1 - E = hv는 방출되는 광자의 관련 전자기파의 주파수이고 h는 플랑크 상수다.참고 사항:E2 > E1. 이 두 가지 레벨은 흥분(상단)과 지면(하단)이다.상위 상태의 입자가 레벨의 에너지 분리와 일치하는 광자와 상호작용할 때, 입자는 붕괴되어 입사 광자와 동일한 위상과 주파수의 또 다른 광자를 방출할 수 있다.따라서, 시스템에 에너지를 펌핑함으로써 우리는 방사선의 자극적인 배출을 할 수 있다. 즉, 펌프가 특정 시간에 많은 양의 에너지를 방출하도록 시스템을 강제한다는 것을 의미한다.인구 역전과 마찬가지로 라싱의 근본적인 특성은 실제로 2단계 시스템에서는 가능하지 않기 때문에 2단계 레이저도 가능하지 않다.2레벨 원자에서 펌프는 어떻게 보면 레이저 그 자체다.null

스타크 사다리 슈퍼래티스에서의 일관성 있는 테라헤르츠 증폭

노팅엄 대학 물리천문학부의 논문[37] 발표에 따르면 워니에-스타크 사다리 슈퍼래티체에서 일관성 있는 테라헤르츠 사운드의 증폭은 2009년에 달성되었다.Wannier-Stark 효과, superlattices에 존재한다.양자 우물 안의 전자 상태는 넓은 장벽의 경우 양자 구속 스타크 효과에 의해 또는 초박막의 경우 워니어-스타크 국산화 작용에 의해 중간 전기장에 민감하게 반응한다.두 가지 효과 모두 흡수 에지 부근의 광학적 특성의 큰 변화를 유도하여 강도 변조 및 광학 전환에 유용하다.즉, 수학적 관점에서, 만일 전기장이 슈퍼레이트에 적용된다면, 관련 해밀턴인은 추가적인 스칼라 전위를 나타낸다.고유 상태가 존재한다면, 파동 기능에 해당하는 상태도 해밀턴계의 고유 상태일 것이다.이 주들은 에너지와 실제 공간 모두에서 균등하게 간격을 두고 있으며 이른바 워니어-스타크 사다리를 형성하고 있다.[38][39]null

포논의 방출 자극.전자가 초밀도에서 GaAs와 AlAs 양자 우물 사이를 뛸 때 그들은 음소를 방출한다.이 과정은 음향 증폭을 일으키는 다른 음운에 의해 자극을 받는다.

제안된 계획에서, 반도체 슈퍼래티트에 전기적 편향의 적용은 광학적 펄스에 의해 생성되는 일관성 있는 접힌 음소의 진폭을 증가시키고 있다.이 진폭의 증가는 슈퍼레이티스의 기간당 에너지 강하가 음소 에너지보다 큰 편차에 대해 관찰된다.슈퍼라티스의 기간당 에너지 강하가 전자 미니밴드의 폭(Wannier-Stark region)[40]을 초과할 정도로 편향된 경우, 전자는 양자 우물에서 국부화되며, 인접 양자 우물 사이의 호핑을 통해 수직 전자 전송이 이루어지는데, 이는 음소 보조를 받을 수 있다.앞서 보여졌듯이, 이러한 조건에서 자극된 음소 방출은 스타크 분열에 가까운 에너지 값의 음소들에 대한 지배적인 음소 보조 희망 과정이 될 수 있다.[41]따라서 이러한 유형의 시스템에서는 이론적으로 일관성 있는 포논 증폭이 가능하다.진폭의 증가와 함께, 편향 유도 진동 스펙트럼은 0 바이어스에서의 일관성 있는 축음기의 스펙트럼보다 좁다.이는 방출 자극에 의한 음소의 일관성 있는 증폭이 전기 펌핑 하의 구조물에서 발생함을 보여준다.null

바이어스 전압은 약하게 결합된 n-도프된 GaAs/AlAs 슈퍼래티스에 적용되며 펨토초 광학적 펄스에 의해 발생하는 일관성 있는 과대하운드 진동의 진폭을 증가시킨다.[42]포논 보조 전환에 대한 전자 모집단의 역전이 존재하는 시스템에서, 포논의 방출 자극에 의한 과급 증폭의 증거가 나타난다.이 증거는 441 GHz의 주파수를 가진 초유성 포논 모드의 바이어스 유도 진폭 증가 및 실험 관찰자 스펙트럼 축소에 의해 제공된다.null

이러한 유형의 실험의 주요 목표는 TZ 소리의 일관성 있는 증폭의 실현 가능성을 강조하는 것이다.TZ는 전자의 슈퍼래티스 상태 사이의 포논 유도 전환을 자극하여 모집단 역전을 처리하는 동안 이러한 일관성 있는 증폭을 유도한다.null

THZ 사운드 및 기타 능동형 하이퍼하운드 장치의 일관성 있는 생성("사양")을 위한 필수 단계는 THZ 사운드 증폭의 성과에 의해 제공되었다.일반적으로 "사양" 임계값이 달성되는 장치에서는 이 제안된 계획에 의해 기술된 기법을 사용하여 방출된 하이퍼하드의 일관성 시간을 측정할 수 있다.null

참고 항목

참조 및 참고 사항

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  41. ^ Kini, R. N.; Kent, A. J.; Stanton, N. M.; Henini, M. (2005). "Angle dependence of acoustic phonon-assisted tunneling in a weakly coupled superlattice: Evidence for terahertz phonon amplification". Journal of Applied Physics. AIP Publishing. 98 (3): 033514–033514–5. Bibcode:2005JAP....98c3514K. doi:10.1063/1.1989435. ISSN 0021-8979.
  42. ^ Makarona, E.; Daly, B.; Im, J.-S.; Maris, H.; Nurmikko, A.; Han, Jung (2002-10-07). "Coherent generation of 100 GHz acoustic phonons by dynamic screening of piezoelectric fields in AlGaN/GaN multilayers". Applied Physics Letters. AIP Publishing. 81 (15): 2791–2793. Bibcode:2002ApPhL..81.2791M. doi:10.1063/1.1512821. ISSN 0003-6951.

다음에 언급된 추가 읽기 및 작업

  • B.A. Glavin, V.A. Kochelap, T.L. Linnik, P. Walker, A.J. Kentand M. Henini, Monochromatic terahertz acoustic phonon emission from piezoelectric superlattices, Jour. Phys. Cs 92 (2007).
  • K. Vahala, M. Herrmann, S. Knunz, V. Batteiger, G. Saathoff, T. W. Hansch and Th. Udem, A phonon Laser
  • Phil Schewe; Ben Stein. "A New Kind of Acoustic Laser". Physics News Update. American Institute of Physics (AIP). Archived from the original on June 25, 2006. Retrieved September 29, 2006.