誘導放出による音響増幅

誘導放出による音響増幅（SASER）とは、音響放射を放出する装置を指します。^{[1]これは、音波を集束させて、}レーザー光の使用と同様に、さまざまな用途で正確で高速な情報伝達手段として機能します。^[要出典]

音響放射（音波）は、フォノンの誘導放出に基づく音響増幅プロセスを使用して放出できます。光が光子として考えられるのと同じように、音（または格子振動）はフォノンで記述できるため、SASER はレーザーの音響版であると言えます。^[要出典]

SASER デバイスでは、音源 (例: ポンプとしての電場) が音波 (格子振動、フォノン) を生成し、これがアクティブ媒体を通過します。このアクティブ媒体では、フォノンの誘導放出によって音波が増幅され、デバイスから音波ビームが放出されます。このようなデバイスから放出される音波ビームは、非常にコヒーレントです。

最初の成功したSASERは2009年に開発されました。^{[2] [3]}

SASER は、フィードバックによって生成される電磁波 (レーザービーム) の代わりに音波を放射します。SASER は、フォノンレーザー、音響レーザー、サウンド レーザーとも呼ばれます。^[要出典]

SASER は幅広い用途に使用できます。テラヘルツ周波数の超音波の研究を容易にするだけでなく、SASER はオプトエレクトロニクス(光を検出して制御する電子機器。たとえば光ファイバーの端から端まで信号を伝送する方法) の信号変調や伝送の方法として使用される可能性もあります。^[4]

このようなデバイスは高精度の測定機器となり、高エネルギーの集中した音を生み出すことができます。

SASERを使用して半導体内の電子を操作すると、理論的には現在のチップよりもはるかに高速なテラヘルツ周波数のコンピュータプロセッサが実現する可能性があります。^[5]

この概念は、レーザー理論との類似性で想像すると、より理解しやすくなります。セオドア・メイマンは、1960 年 5 月 16 日にカリフォルニア州マリブのヒューズ研究所で、初めて機能するレーザーを操作しました。^[6]「誘導放出による音響増幅」理論の中心的なアイデアに従って動作するデバイスは、熱音響レーザーです。これは、パイプに挿入された特殊な多孔質材料を挟んで熱差がある半開きのパイプです。光レーザーと同様に、熱音響 SASER は高 Q 空洞を備え、ゲイン媒体を使用してコヒーレント波を増幅します。詳細については、熱音響熱エンジンを参照してください。

フォノンレーザー作用の可能性は、ナノメカニクス、半導体、ナノ磁石、格子内の常磁性イオンなど、幅広い物理系で提案されている。 ^{[7] [8]}

SASER の開発には、放出を刺激する材料を見つける必要がありました。二重障壁半導体ヘテロ構造におけるコヒーレントフォノンの生成は、1990 年頃に初めて提案されました。^[9]格子の振動モードでの電位エネルギーの変換は、二重障壁構造の電子閉じ込めによって著しく促進されます。これに基づいて、物理学者は、自然放出ではなく誘導放出が支配的な減衰プロセスである材料を探していました。2009 年に、ギガヘルツ範囲で初めてデバイスが実験的に実証されました。^[10]

2010年に発表されたこの研究は、2つの独立したグループがメガヘルツからテラヘルツの範囲の任意の周波数でコヒーレントフォノンを生成する2つの異なるデバイスを考案したというものである。ノッティンガム大学の1つのグループは、AJ Kentと彼の同僚であるRP Beardsley、AV Akimov、W. Maryam、M. Heniniから構成されていた。カリフォルニア工科大学（Caltech）のもう1つのグループは、 CaltechのIvan S. Grudinin、Hansuek Lee、O. Painter、Kerry J. Vahalaから構成されており、調整可能な2レベルシステムにおけるフォノンレーザーアクションに関する研究を実施した。ノッティンガム大学のデバイスは約440GHzで動作し、Caltechのデバイスはメガヘルツの範囲で動作する。ノッティンガムグループのメンバーによると、2つのアプローチは補完的であり、どちらかのデバイスを使用してメガヘルツからテラヘルツの範囲の任意の周波数でコヒーレントフォノンを生成することが可能であるとのことである。^[11] これらのデバイスの動作周波数から重要な結果が得られます。2つのデバイスの違いは、SASERが広範囲の周波数で動作できる可能性があることを示唆しています。

SASER に関する作業は、ノッティンガム大学、ウクライナ国立科学アカデミーのラシュカレフ半導体物理研究所、カリフォルニア工科大学で継続されています。

2023年に研究者たちはポールトラップを使って2つのイオンを誘導し、10個未満のフォノンを含むフォノンレーザーを形成させ、それを量子領域にしっかりと置きました。それ以前のフォノンレーザーは少なくとも10,000個のフォノンを持っていました。^{[12] [13]}

SASER の中心的なアイデアは音波に基づいています。誘導放射による音響増幅の実装に必要なセットアップは、発振器に似ています。発振器は、外部の給電機構なしで振動を生成できます。例としては、マイク、アンプ、スピーカーを備えた一般的な音響増幅システムがあります。マイクがスピーカーの前にあると、耳障りな笛のような音が聞こえます。この笛のような音は、音源からの追加的な寄与なしに生成され、マイクがスピーカーの前のどこかにある間は自己強化され、自立しています。ラーセン効果として知られるこの現象は、正のフィードバックの結果です。

一般に、すべての発振器は 3 つの主要部分で構成されています。これらは、電源またはポンプ、増幅器、および出力につながる正のフィードバックです。SA​​SER デバイス内の対応する部分は、励起またはポンピング メカニズム、アクティブ (増幅) 媒体、および音響放射につながるフィードバックです。ポンピングは、たとえば、交流電場または共振器の機械的振動によって実行できます。アクティブ媒体は、音響増幅を誘発できる材料である必要があります。アクティブ媒体へのフィードバック メカニズムの例としては、フォノンを反射して繰り返し跳ね返らせ、音を増幅する 超格子層の存在が挙げられます。

したがって、SASER 設計の理解を進めるには、レーザーデバイスとの類似性で SASER 設計を想像する必要があります。レーザーでは、活性媒体がファブリ ペロー干渉計の 2 つのミラー表面 (反射器) の間に配置されます。この干渉計内で自発的に放出された光子は、励起された原子を同じ周波数、同じ運動量、同じ偏光、同じ位相の光子に崩壊させることができます。光子の運動量 (ベクトルとして) はミラーの軸とほぼ平行であるため、光子は複数の反射を繰り返し、より多くの光子を追従させて雪崩効果を生み出すことができます。このコヒーレント レーザー ビームの光子の数が増加し、損失により消滅した光子の数と競合します。レーザー放射の生成に必要な基本的な条件は反転分布であり、これは原子を励起して衝撃を誘発するか、外部放射吸収によって達成できます。SASER デバイスは、ソース ポンプを使用してフォノンの音波ビームを誘発することで、この手順を模倣します。この音波ビームは、光キャビティ内ではなく、別のアクティブ媒体内を伝播します。アクティブ媒体の例としては、超格子が挙げられます。超格子は、2 種類の半導体からなる複数の極薄格子で構成できます。これら 2 つの半導体材料はバンドギャップが異なり、量子井戸を形成します。量子井戸とは 、粒子を 3 次元ではなく 2 次元で移動するように閉じ込め、平面領域を占有させるポテンシャル井戸です。超格子では、構造を通る電荷の流れ条件に影響を与える新しい選択規則のセットが構成されます。このセットアップがソースによって励起されると、フォノンは格子レベルで反射しながら増殖し始め、超高周波フォノンビームの形で格子構造から逃げ出します。

つまり、フォノンの協調放出はコヒーレント音につながり、協調フォノン放出の例としては量子井戸からの放出がある。これはレーザーと似た経路にあり、多数の原子からの協調した誘導放出によってコヒーレント光が生成される。SASERデバイスは、格子（フォノン）の単一振動モードの電位エネルギーを変換する。^[14]

増幅が行われる媒体は、量子井戸を形成する半導体の薄い層の積み重ねで構成されています。これらの井戸では、ミリ電子ボルトのエネルギーの超音波の塊によって電子が励起されます。このエネルギー量は、0.1～1 THz の周波数に相当します。

光が光子と呼ばれる粒子で構成されていると考えられる波動であるのと同様に、固体の通常の振動モードは粒子のようなものと考えることができます。格子振動の量子はフォノンと呼ばれます。格子力学では、結晶の通常の振動モードを見つけます。言い換えると、フォノンのエネルギー（または周波数）をその波動ベクトルkの関数として計算する必要があります。周波数 ωと波動ベクトル kの関係はフォノン分散と呼ばれます。

光と音はさまざまな点で似ています。どちらも波として考えることができ、量子力学の単位で表されます。光の場合は光子、音の場合はフォノンです。音と光はどちらも、量子のランダムな集合 (電球から放出される光など) または調整された形で移動する整然とした波 (レーザー光など) として生成できます。この類似性は、レーザーが光と同様に音でも実現可能であることを意味します。21 世紀では、人間が聞くことができる範囲 (約 20 kHz) の低周波音をランダムまたは整然とした形で生成することは簡単です。ただし、フォノンレーザー アプリケーションの領域におけるテラヘルツ周波数では、さらに困難が生じます。問題は、音が光よりもはるかに遅く移動するという事実に起因します。つまり、特定の周波数では、音の波長は光よりもはるかに短いということです。整然としたコヒーレントなフォノンを生成する代わりに、テラヘルツ音を生成できるレーザー構造は、フォノンをランダムに放出する傾向があります。研究者たちは、さまざまなアプローチでテラヘルツ周波数の問題を克服してきました。カリフォルニア工科大学の科学者たちは、特定の周波数のフォノンのみを放出する微小な空洞を 1 組組み立てることで、この問題を克服しました。このシステムは、微小空洞の相対的な間隔を変えることで、異なる周波数のフォノンを放出するように調整することもできます。一方、ノッティンガム大学のグループは別のアプローチを採用しました。彼らは、量子井戸と呼ばれる一連の構造を移動する電子からデバイスを構築しました。簡単に言うと、電子が 1 つの量子井戸から別の隣接する井戸に飛び移ると、フォノンが生成されます。

外部からのエネルギーポンピング（光線や電圧など）は、電子の励起を助けることができます。上位状態からの電子の緩和は、光子またはフォノンの放出によって起こることがあります。これは、フォノンと光子の状態密度によって決まります。状態密度とは、エネルギー間隔（ E、E + dE ）内で電子が占有できる体積単位あたりの状態の数です。フォノンと光子はどちらもボソンなので、ボーズ・アインシュタインの統計に従います。つまり、同じエネルギーのボソンは空間内で同じ場所を占有できるため、フォノンと光子は力の運搬粒子であり、整数スピンを持っています。フォノン場の方が光子場よりも占有可能な状態が多くあります。したがって、フォノン場の終端状態の密度は光子場の終端状態の密度を（最大で約 10 ⁵）上回るため、フォノン放出の方がはるかに起こりやすいイベントです。^{[15] [16]}また、電子の励起が格子の振動に短時間つながり、フォノンが生成されるという概念も考えられます。格子の振動エネルギーは、励起ごとに異なる値を取ることができます。この「励起パッケージ」のそれぞれはフォノンと呼ばれます。電子は励起状態に長く留まることはありません。安定した低エネルギー状態に戻るために、すぐにエネルギーを放出します。電子は、励起後、いつでも、任意の方向にエネルギーを放出します。特定の時間に、一部の電子が励起され、他の電子はシステムの平均エネルギーが可能な限り低くなるようにエネルギーを失います。

システムにエネルギーを注入することで、反転分布を実現できます。これは、システム内で最低エネルギー状態の電子よりも励起電子の数が多いことを意味します。電子がエネルギー (フォノンなど) を放出すると、別の励起電子と相互作用してそのエネルギーも放出します。したがって、誘導放出が発生し、大量のエネルギー (音響放射、フォノンなど) が同時に放出されます。誘導放出は、自発放出と誘導放出が同時に発生する手順であると言えます。誘導放出はポンピング手順から発生し、自発放出に追加されます。

SASER デバイスは、ポンピング機構とアクティブ媒体で構成する必要があります。ポンピング手順は、たとえば交流電場または共振器の機械的振動によって誘発され、その後アクティブ媒体で音響増幅が行われます。SASER がレーザーと非常によく似た原理で動作するという事実は、関連する動作状況を理解しやすくします。フィードバックによって構築された強力な電磁放射波の代わりに、SASER は強力な音波を発します。これまでに、GHz～THz の音響増幅の方法がいくつか提案されています。いくつかは理論的にのみ検討されており^{[17] [18]}、その他は非コヒーレント実験で検討されています。

100GHzから1THzの音波は、ナノメートル範囲の波長を持つことに注意してください。ノッティンガム大学で行われた実験によると、音響増幅は、半導体 超格子内の電子の誘導カスケードに基づいている可能性があります。電子のエネルギーレベルは、超格子層に閉じ込められています。電子が超格子内のガリウムヒ素量子井戸の間を飛び回ると、フォノンを放出します。次に、1つのフォノンが入り込むと、超格子から出てくる2つのフォノンが生成されます。このプロセスは、他のフォノンによって刺激され、音響増幅を引き起こします。電子が追加されると、短波長（テラヘルツ範囲）のフォノンが生成されます。電子は格子内に存在する量子井戸に閉じ込められているため、そのエネルギーの伝達は、電子が生成するフォノンに依存します。これらのフォノンが格子内の他の層に衝突すると、電子が励起され、それがさらにフォノンを生成し、それがさらに電子を励起するというように繰り返されます。最終的に、非常に細い高周波超音波ビームがデバイスから出ます。半導体超格子は音響ミラーとして使用されます。これらの超格子構造は、光学における多層誘電体ミラーと同様に、多層分布ブラッグ反射器の理論に従って適切なサイズでなければなりません。

SASER 開発の基本を理解するには、SASER デバイスの提案例と SASER 理論スキームを評価する必要があります。

この提案された理論的スキーム^[19]では、活性媒体は液体誘電体（例えば、通常の蒸留水）であり、その中に分散粒子が均一に分散している。電気分解手段によって、分散粒子として機能する気泡が発生する。活性媒体で励起されたポンプ波は、分散粒子（気泡）の体積の周期的な変化を生み出す。粒子の初期の空間分布は均一であるため、粒子によって放射された波は異なる位相で加算され、平均でゼロになる。しかし、活性媒体が共振器内に配置されていれば、その中で定常モードが励起される可能性がある。粒子は、音響放射力の作用を受けて束になる。この場合、気泡の振動は自己同期され、有用なモードが増幅される。^[20]

この方式と自由電子レーザーとの類似性は、この方式の理論的概念を理解するのに役立ちます。自由電子レーザーでは、電子は磁気周期系を通過して電磁放射を生成します。^[21]電子の放射は最初は非干渉性ですが、その後、有用な電磁波との相互作用により、位相に応じて集まり始め、干渉性になります。このようにして、電磁場が増幅されます。

超音波を生成するために通常使用される圧電ラジエーターの場合、動作面のみが放射するため、動作システムは 2 次元であることに注意してください。一方、誘導放射による音響増幅装置は、アクティブ媒体の全体積が放射するため、3 次元システムです。

活性媒体であるガスと液体の混合物が共振器を満たします。液体内の気泡密度は、最初は空間的に均一に分布しています。波はこのような媒体を伝播するため、ポンプ波によって追加の準周期波が発生します。この波は、放射圧力の作用による気泡密度の空間的変化と結合します。したがって、波の振幅と気泡密度は、振動の周期に比べてゆっくりと変化します。

共振器の使用が不可欠な理論的スキームでは、SASER 放射は、ポンプ波の伝播方向に対して垂直な共振器壁を通過します。電気的にポンプされた SASER の例^[22]によれば、アクティブ媒体は、共振器の固体壁によって定義される 2 つの平面の間に閉じ込められます。次に、放射は、2 つの共振器壁によって定義される平面に平行な軸に沿って伝播します。気泡を含む液体に作用する静電場は、誘電体の変形を引き起こし、したがって粒子の体積の変化につながります。媒体内の電磁波は、同じ媒体内の音速よりもはるかに速い速度で伝播することに注意してください。このことから、気泡に作用する有効なポンプ波は空間座標に依存しないという仮定が導かれます。システム内の波ポンプの圧力は、後進波の出現とシステムの動的不安定性の両方につながります。

数学的分析により、振動の発生を開始するには、2 種類の損失を克服する必要があることがわかっています。^[23]最初のタイプの損失は、アクティブ媒体内のエネルギーの分散に関連しており、2 番目のタイプの損失は、共振器の端での放射損失によるものです。これらのタイプの損失は、共振器に蓄積されたエネルギーの量に反比例します。一般に、放射器の不一致は、開始条件の数学的計算の試みにおいて役割を果たしません。ポンプ周波数に近い共振周波数を持つ気泡が、有用モードのゲインに主に寄与します。対照的に、通常のレーザーの開始圧力の決定は、放射器の数とは無関係です。有用モードは粒子の数とともに大きくなりますが、同時に音の吸収も増加します。これらの両方の要因は互いに中和します。気泡は、SASER でのエネルギー分散において主要な役割を果たします。

ガス泡を活性媒体として使用して放射の誘導放出による音響増幅の関連する提案方式は、1995 年頃に導入されました^[24]ポンピングは円筒形共振器の機械的振動によって作成され、泡の位相バンチングは音響放射力によって実現されます。注目すべき事実は、ガス泡は外部作用によってのみ振動することができ、自発的には振動できないことです。他の提案された方式によると、円筒形共振器内の分散粒子体積の電気ひずみ振動は、交流電磁場によって実現されます。ただし、交流電場をポンプとして使用する SASER 方式には制限があります。増幅を実現するには、非常に大きな振幅の電場 (最大数十 kV/cm) が必要です。このような値は、液体誘電体の電気穿刺強度に近づきます。そのため、この制限のない SASER 方式が提案されています。ポンピングは、円筒の放射状の機械的脈動によって作成されます。この円筒には、ガス泡を含む液体誘電体という活性媒体が含まれています。放射は円筒の表面から放出されます。

共鳴フォノン遷移に基づくフォノンレーザーの開発の提案が、ロシアのモスクワにある分光研究所のグループから発表された^[25]。安定した誘導フォノン生成のための 2 つの方式が言及された。最初の方式では、ナローギャップ間接半導体または類似の間接ギャップ半導体ヘテロ構造を利用し、電子-正孔再結合の 1 フォノン遷移の共鳴へのチューニングを外部圧力、磁場、または電場によって実行できる。2 番目の方式では、結合量子井戸内の直接励起子レベルと間接励起子レベル間の 1 フォノン遷移を使用する。励起子は、凝縮物質の基本励起を表す電気的に中性の準粒子であることに注意してください。励起子は、正味の電荷を輸送することなくエネルギーを輸送できます。この遷移の共鳴へのチューニングは、外部の面内磁場と通常の電場によって間接励起子の分散を操作することで実現できます。

2 番目に提案された方式におけるフォノン波ベクトルの大きさは、面内磁場の大きさによって決定されると考えられます。したがって、このような種類の SASER は調整可能です (つまり、動作波長を制御された方法で変更できます)。

一般的な半導体レーザーは、直接ギャップ半導体でのみ実現できます。その理由は、間接ギャップ半導体のバンドの極小値付近にある電子と正孔のペアは、エネルギーと運動量 保存則により、フォノンと光子を生成することによってのみ再結合できるためです。この種のプロセスは、直接半導体での電子-正孔再結合と比較すると弱いものです。したがって、安定したレーザー生成を得るには、これらの遷移のポンピングを非常に強力にする必要があります。したがって、1 つの粒子 (光子) のみを生成するレーザー遷移は共鳴する必要があります。これは、運動量とエネルギー保存則により、レーザー遷移が安定した形で生成できるようにする必要があることを意味します。光子の波動ベクトルは無視できるため、バンドの端はブリルアンゾーンの同じ位置になければなりません。一方、SASER などのデバイスでは、音響フォノンはかなりの分散を持ちます。力学によれば、レーザーが動作するレベルは、互いに相対的に k 空間内にある必要があるという主張につながります。k 空間とは、位置と時間ではなく、運動量と周波数で物事が存在する空間を指します。実空間と k 空間間の変換は、フーリエ変換と呼ばれる数学的変換であるため、k 空間はフーリエ空間とも呼ばれます。

光子のレーザーレベルのエネルギー差は、半導体のデバイエネルギーよりも少なくとも小さくなければならないことに注意してください。ここで、デバイエネルギーは、格子の振動モードに関連する最大エネルギーと考えることができます。このようなレベルは、ナローギャップ間接半導体の伝導帯と価電子帯によって形成されます。

圧力や磁場の影響下にある半導体 のエネルギーギャップはわずかに変化するため、考慮する価値はありません。一方、狭ギャップ半導体ではこのエネルギーの変化はかなり大きいため、外部圧力や磁場は 1 フォノンのバンド間遷移の共鳴に同調する目的に役立つ可能性があります。バンド間遷移は伝導帯と価電子帯の間の遷移であることに注意してください。このスキームでは、直接半導体ではなく間接半導体を考慮しています。その理由は、半導体の k 選択ルールにより、1 つのフォノンのみを生成するバンド間遷移は、光フォノンを生成するものだけであるという事実に由来しています。ただし、光フォノンの寿命は短いため (非調和性により 2 つに分割されます)、いくつかの重要な複雑さが加わります。ここで、音響フォノン生成の多段階プロセスの場合でも、SASER を作成できることに注目できます。^{[26] [27]}

使用できるナローギャップ間接半導体の例としては、エネルギーギャップが 0.15 – 0.3 eV のカルコゲニド PbTe、PbSe、PbS などがあります。同じスキームでは、価電子帯と伝導帯の間の運動量空間にナローギャップ間接を持つ半導体ヘテロ構造 (異なる半導体の層) を使用すると、より効果的である可能性があります。層の空間的分離により、外部電場によってバンド間遷移を共鳴に調整できるため、これはより有望です。ここで重要なことは、この提案されたフォノン レーザーは、温度が半導体のエネルギーギャップよりはるかに低い場合にのみ動作できるということです。

この理論的スキームの分析中に、簡略化のためにいくつかの仮定が導入されました。ポンピングの方法により、システムは電気的に中性に保たれ、電子と正孔の分散法則は放物線状で等方性であると想定されます。また、フォノンの分散法則も線形で等方性である必要があります。^[29] システム全体が電気的に中性であるため、ポンピングのプロセスにより、同じ速度で電子と正孔が生成されます。数学的分析により、単位体積あたりのフォノンモードあたりの電子-正孔対の平均数の式が得られます。損失の限界が低い場合、この式から、ap-n遷移の通常のフォノンレーザーと比較してかなり中程度のSASERのポンピング率が得られます。

量子井戸は基本的に、粒子を3次元ではなく2次元で移動するように制限し、平面領域を占有するように強制するポテンシャル井戸であると説明されました。結合量子井戸では、電子と正孔が励起子に結合する方法が2つあります。間接励起子と直接励起子です。間接励起子では、電子と正孔は異なる量子井戸にありますが、直接励起子では電子と正孔が同じ井戸内にあります。量子井戸が同一の場合、両方のレベルに2倍の縮退があります。直接励起子のレベルは、クーロン相互作用が大きいため、間接励起子のレベルよりも低くなります。また、間接励起子は結合量子井戸に対して垂直な電気双極子運動量を持ち、そのため、移動する間接励起子は、その速度に対して垂直な面内磁気運動量を持ちます。電気双極子と通常の電場との相互作用により、間接励起子サブレベルの 1 つが低下し、十分に強い電場では、移動する間接励起子が基底励起子レベルになります。これらの手順を念頭に置いて、磁気双極子と面内磁場との相互作用が発生するように速度を選択できます。これにより、分散法則の最小値が放射ゾーンから移動します。これの重要性は、結合した量子井戸に垂直な電場と面内磁場が間接励起子の分散を制御できるという事実にあります。通常の電場は、直接励起子 --> 間接励起子 +フォノンの共鳴への遷移を調整するために必要であり、その大きさは面内磁場の大きさと線形関数を形成できます。この方式の数学的分析では、横音響 (TA) フォノンではなく縦音響 (LA) フォノンが考慮されることに注意してください。これは、より単純な数値推定を目的としています。一般的に、横方向音響（TA）フォノンの方がLAフォノンよりもエネルギーが低く寿命が長いため、TAフォノンの方が好ましいとされています。そのため、電子サブシステムとの相互作用は弱いです。さらに、より単純な定量評価には、レーザー 照射による直接励起子レベルのポンピングが必要です。

この方式をさらに分析すると、直接励起子、間接励起子、およびフォノンモードの微分方程式を確立するのに役立ちます。これらの方程式を解くと、フォノンモードと間接励起子モードは別々に明確な位相を持たず、位相の合計のみが定義されます。ここでの目的は、この方式を適度なポンピング率で動作させることが、結合量子井戸内の励起子がフォノンに比べて次元性が低いという事実に反するかどうかを確認することです。したがって、結合量子井戸に閉じ込められていないフォノンが考慮されます。一例は、AlGaAs/GaAsヘテロ構造^[30]にある縦光学(LO)フォノンであり、したがって、この提案システムで提示されるフォノンは3次元です。^[31]フォノンと励起子の次元性の違いにより、上位レベルがフォノン場の多くの状態に変換されます。この情報を特定の方程式に適用することで、目的の結果を結論付けることができます。フォノンと励起子の次元の違いにもかかわらず、レーザーポンピングには追加の要件はありません。

フォノンレーザーの作用は、幅広い物理システム（半導体など）で確認されている。カリフォルニア工科大学（Caltech）応用物理学科の2012年の出版物では、2レベルレーザーシステムとよく似た動作をする、無線周波数機械モードと結合した複合マイクロキャビティシステムの実証が紹介されている。^[32]

この複合マイクロキャビティシステムは「フォトニック分子」とも呼ばれる。 ^{[33] [34]}電気システムの混成軌道は、このフォトニック分子の光学スーパーモードに置き換えられ、対応するエネルギーレベル間の遷移はフォノン場によって誘発される。光マイクロ共振器の典型的な条件では、フォトニック分子は2レベルレーザーシステムとして動作する。しかし、活性媒体とキャビティモード（レーザー場）の役割には奇妙な逆転がある。媒体は純粋に光学的になり、レーザー場はフォノンモードとして材料によって提供される。

反転によりゲインが生成され、約 7 μW のポンプ電力しきい値を超えるとフォノンレーザー動作が発生します。提案されたデバイスは、無線周波数からマイクロ波速度までの機械的モードを選択的に増幅する、連続的に調整可能なゲインスペクトルを特徴としています。ブリルアン過程として見ると、システムはフォノンがストークス波の役割を果たす領域にアクセスします。^[35] ストークス波は、一定の平均深さの非粘性流体(粘性がないものと想定される理想的な流体) 層上の非線形で周期的な表面波を指します。このため、フォノン領域とフォノンレーザー領域を制御可能に切り替えることも可能です。

複合光マイクロキャビティシステムは、有益なスペクトル制御を提供します。これらの制御は、フォノンレーザー動作と冷却の両方に影響を与え、遷移エネルギーがフォノンエネルギーに比例するいくつかの微細間隔の光レベルを定義します。これらのレベル間隔は、光結合を大幅に調整することで連続的に調整できます。したがって、一部のキャビティ光機械現象とは対照的に、増幅と冷却は調整可能な線の中心の周囲で発生します。これらの微細間隔のレベルを作成するために、光マイクロキャビティの寸法を増やす必要はありません。したがって、これらの微細間隔のレベルは、光機械相互作用の強度に大きな影響を与えません。^{[36]このアプローチは、}放射圧 によって誘発されるインターモーダル結合を使用し、[ ³⁷ ]フォノンを検出するためのスペクトル選択的な手段も提供します。さらに、この種の実験ではインターモーダル冷却のいくつかの証拠が観察されているため、光機械冷却に関心があります。^[38] 全体として、複数の結合共振器を使用するマルチレベルシステムへの拡張が可能です。

2 レベル システムでは、粒子は、エネルギー差によって分離された 2 つの利用可能なエネルギー レベルのみを持ちます。Δ Ε = E ₂ − E ₁ = hv、ここでνは放出された光子の関連電磁波の周波数、hはプランク定数です。また、E ₂ > E ₁であることにも注意してください。これらの 2 つのレベルは、励起状態 (上部) と基底状態 (下部) です。上部状態の粒子がレベルのエネルギー分離に一致する光子と相互作用すると、粒子は崩壊し、入射光子と同じ位相と周波数を持つ別の光子を放出します。したがって、システムにエネルギーをポンプすることで、誘導放出の放射線を発生させることができます。これは、ポンプが特定の時間に大量のエネルギーを放出するようにシステムを強制することを意味します。反転分布などのレーザー発振の基本的な特性は、実際には 2 レベル システムでは不可能であるため、2 レベル レーザーは不可能です。2 レベル原子では、ポンプは、ある意味ではレーザーそのものです。

ノッティンガム大学物理天文学部が発表した論文^[39]によると、2009年にワニエ・シュタルク・ラダー超格子でコヒーレントなテラヘルツ音の増幅が達成された。 超格子にはワニエ・シュタルク効果が存在します。量子井戸内の電子状態は、広い障壁の場合は量子閉じ込めシュタルク効果によって、超格子の場合はワニエ・シュタルク局在によって、中程度の電場に敏感に反応します。両方の効果により、吸収端付近の光学特性が大きく変化し、強度変調や光スイッチングに役立ちます。つまり、数学的な観点から言えば、電場が超格子に適用されると、関連するハミルトニアンは追加のスカラーポテンシャルを示します。固有状態が存在する場合、波動関数に対応する状態もハミルトニアンの固有状態です。これらの状態はエネルギー空間と実空間の両方で等間隔に配置されており、いわゆるワニエ・シュタルクのラダーを形成します。^{[40] [41]}

提案された方式では、半導体超格子に電気バイアスを印加すると、光パルスによって生成されるコヒーレント折り畳みフォノンの振幅が増大する。この振幅の増大は、超格子の周期あたりのエネルギー降下がフォノンエネルギーよりも大きいバイアスに対して観測される。超格子の周期あたりのエネルギー降下が電子ミニバンドの幅を超えるように超格子にバイアスをかけると（ワニエ・シュタルク領域）、電子は量子井戸内に局在し、フォノン支援の可能性がある隣接する量子井戸間のホッピングを介して垂直電子輸送が発生する。^[42]以前に示したように、これらの条件下では、シュタルク分裂に近いエネルギー値のフォノンに対して、誘導フォノン放出がフォノン支援ホッピング過程の主なものになる可能性がある。^[43]したがって、コヒーレントフォノン増幅は理論的にはこの種のシステムで可能である。振幅の増加とともに、バイアス誘起振動のスペクトルは、ゼロバイアスでのコヒーレントフォノンのスペクトルよりも狭くなります。これは、電気ポンピング下の構造で、誘導放出によるフォノンのコヒーレント増幅が発生することを示しています。

弱く結合したnドープGaAs/AlAs超格子にバイアス電圧を印加すると、フェムト秒光パルスによって生成されるコヒーレントなハイパーサウンド振動の振幅が増大します。^[44]フォノン支援遷移の電子分布の反転が存在するシステムでは、フォノンの誘導放出によるハイパーサウンド増幅の証拠が現れます。この証拠は、バイアス誘起振幅の増加と、周波数441GHzの 超格子フォノンモードの実験的に観測されたスペクトル狭窄によって提供されます。

この種の実験の主な目的は、THz 音のコヒーレント増幅の実現可能性を明らかにすることです。THz 刺激フォノンによって誘起される電子超格子状態間の遷移により、反転分布が処理されながらこのコヒーレント増幅が起こります。

この THz 音増幅の達成により、THz 音のコヒーレント生成 (「sasing」) やその他のアクティブ ハイパーサウンド デバイスに向けた重要なステップが実現しました。一般に、「sasing」のしきい値が達成されたデバイスでは、この提案されたスキームで説明されている技術を使用して、放出されたハイパーサウンドのコヒーレンス時間を測定できます。

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• BA Glavin、VA Kochelap、TL Linnik、P. Walker、AJ Kentand M. Henini、「圧電超格子からの単色テラヘルツ音響フォノン放出」、Jour. Phys. Cs 92 (2007)。
• K. ヴァハラ、M. ハーマン、S. クヌンツ、V. バッタイガー、G. サートホフ、TW ハンシュ、Th. Udem、フォノンレーザー
• Phil Schewe、Ben Stein。「新しい種類の音響レーザー」。物理学ニュースアップデート。アメリカ物理学会(AIP)。2006 年 6 月 25 日時点のオリジナルからアーカイブ。2006年9 月 29 日閲覧。