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燃！我国科学家研究出室温下高功率相干微波发射技术

日期： 2023-04-11
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来源：搜狐


在这个实验中，施加到微波腔（桃红色带）的电压（电池）导致光子（黄色）和电子自旋激发（紫色）相互作用，形成复合极化激元，进而产生类似激光的（相干）微波。
构建量子计算和通信系统的挑战之一是缺乏能够产生足够功率但不需要极端冷却的类激光微波源。
然而，一个研究小组在一项研究中已经证明了一种新的室温技术，可以制造来自激光的相干微波辐射。该设备利用磁性材料与电磁场的相互作用。研究人员预计，这项工作将产生微波源，这些微波源可以内置在未来量子器件中使用的芯片中。
为量子计算机存储量子位的设备通常需要微波信号来输入和检索数据，因此在微波频率下运行的激光器（微波激射器）和其他相干微波源可能非常有用。但是，尽管脉泽器是在激光之前发明的，但大多数脉泽器技术只能在超低温下工作。2018年的设计可在室温下工作，但不会产生太多功率。
中国科学院上海技术物理研究所的胡春明受到一种名为极化激子激光器的新型激光器的卓越性能的启发，考虑将该技术扩展到微波领域。这些设备利用光与激子的相互作用，激子是短寿命的电子空穴对。这种相互作用发生在光腔内，光波在该空间来回反射多次。该技术“改变了光学激光技术，我很好奇使用磁激发的类似方法是否可以帮助我们生产更好的微波源，”研究人员说。
经过七年的基础研究，他和他的同事们相信他们已经成功了。他们的方案使微波腔中的光子与磁性材料中的电子自旋相互作用。在磁场存在的情况下，这些自旋和光子一起产生称为磁振子极化激元的混合激发，进而产生相干微波。该技术使用不同于脉泽的概念来产生这种相干辐射。研究人员工作的一个重点是了解他们如何放大腔内的辐射，从而产生大量微波能量，同时仍然对频率和其他特性进行精确控制。
为了证明这种效果，研究人员使用了一种标准类型的微波腔，一种1.2毫米宽的复合玻璃材料带，将强场限制在其表面上方的区域。他们在这个表面上放置了一个直径1毫米的钇铁石榴石球体，这是一种磁性材料，并开启了静态磁场。球体中电子自旋的排列然后围绕磁场方向旋转。连接到条带上的晶体管提供了微波场的放大，但这些场也以研究人员精心安排的方式耗散能量。空腔中球体的存在引发了自旋和光子之间的相互作用，产生了磁振子极化子，研究人员能够通过测量他们引导到该区域的各种频率的微波的吸收来验证这一点。结果显示出明显的吸收特征，表明腔和磁振子的独立振荡模式结合在一起产生了极化激元。
然后，他们证明了这些极化子可以产生峰值频率为3.6 GHz、线宽仅为360 Hz的相干微波辐射。研究人员说，这种清晰的频率定义对于磁性系统来说是非凡的，其线宽比基于磁性技术的最佳替代微波源的线宽小1000倍。此外，磁振子-极化子器件的输出功率是2018年室温脉泽的10亿倍。研究人员还证明了将输入微波信号放大10000倍的能力，同时保持信号质量。研究人员说，这种放大功能的可能性“超出了我们的想象”。
麻省理工学院纳米级磁系统专家刘路桥说：“我对这里报道的美妙结果感到兴奋。磁振子极化子的使用开辟了许多新的可能性，令人惊讶的是，与许多现有的替代技术相比，它在产生微波方面取得了卓越的性能。”
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