Lasing – emissionen av en kollimerad ljusstråle med en väldefinierad våglängd (färg) och fas – är resultatet av en självorganiseringsprocess, där en samling emissionscentra synkroniserar sig för att producera identiska ljuspartiklar (fotoner). Ett liknande självorganiserat synkroniseringsfenomen kan också leda till generering av koherenta vibrationer - en fononlaser, där fonon betecknar, i analogi med fotoner, ljudets kvantpartiklar.

Fotonlasering demonstrerades första gången för cirka 60 år sedan och, av en slump, 60 år efter dess förutsägelse av Albert Einstein. Denna stimulerade emission av förstärkt ljus fann ett aldrig tidigare skådat antal vetenskapliga och tekniska tillämpningar inom flera områden.

Även om konceptet med en "ljudlaser" förutspåddes nästan samtidigt, endast få implementeringar har hittills rapporterats och ingen har uppnått teknisk mognad. Nu, ett samarbete mellan forskare från Instituto Balseiro och Centro Atómico i Bariloche (Argentina) och Paul-Drude-Institut i Berlin har introducerat ett nytt tillvägagångssätt för effektiv generering av koherenta vibrationer i tiotals GHz-området med hjälp av halvledarstrukturer. Intressant, detta tillvägagångssätt för att generera koherenta fononer är baserat på en annan av Einsteins förutsägelser:den om materiens femte tillstånd, ett Bose-Einstein-kondensat (BEC) av kopplade ljus-materia-partiklar (polaritoner).

Polariton BEC skapas i en mikrostrukturerad fälla av en halvledarmikrokavitet som består av elektroniska centra inklämda mellan distribuerade Bragg-reflektorer (DBR) utformade för att reflektera ljus av samma energi ℏωC som emitteras av centra (jfr. Fig. 1a). När den exciteras optiskt av en ljusstråle med en annan energi ℏωL, för vilken DBR är transparent, centras elektroniska tillstånd avger ljuspartiklar (fotoner) vid energin ℏωC, som återreflekteras vid DBR:erna. Fotonerna återabsorberas sedan igen av centran. Den snabba och upprepade sekvensen av emissions- och reabsorptionshändelser gör det omöjligt att särskilja om energin är lagrad i ett elektroniskt eller fotoniskt tillstånd. Man säger snarare att blandningen mellan staterna skapar en ny, lätt materia partikel, kallas polariton. Vidare, under en hög partikeldensitet (och hjälpt av den rumsliga lokaliseringen som induceras av fällan), polaritonerna går in i ett självorganiserat tillstånd som liknar fotoner i en laser, där alla partiklar synkroniseras för att avge ljus med samma energi och fas - en polariton BEC-laser. Den karakteristiska signaturen för polariton BEC är en mycket smal spektrallinje som illustreras av den blå kurvan i fig. 1b, som kan detekteras genom att mäta den evanescenta strålningen som strömmar ut från mikrokaviteten.

En ytterligare intressant egenskap hos de använda mikrokavitetsspeglarna (DBR) är förmågan att reflektera inte bara optiska (ljus) utan även mekaniska vibrationer (ljud) inom ett specifikt våglängdsområde. Som en konsekvens, en typisk AlGaAs-mikrokavitet för fotoner i det nära-infraröda begränsar också vibrationskvantiteter - fononer - med energin ℏωa som motsvarar oscillationsfrekvensen ωa/2p på cirka 20 GHz. Eftersom fotonreflektionen av DBR:erna ger den erforderliga återkopplingen för bildandet av en polariton BEC, fononreflektion leder till en uppbyggnad av fononpopulationen såväl som en förbättring av fononinteraktionen med polariton BEC.

Hur sker interaktionen mellan polaritoner och fononer? Som luft i ett däck, en hög täthet av kondenserade polaritoner utövar ett tryck på mikrokavitetsspeglarna, som kan utlösa och upprätthålla mekaniska svängningar vid frekvensen av de begränsade fononerna. Dessa andningsoscillationer modifierar mikrohålrummets dimensioner, agerar alltså tillbaka på polariton BEC. Det är denna kopplade optomekaniska interaktion som ger upphov till den koherenta emissionen av ljud över en kritisk polaritondensitet. Ett fingeravtryck av denna koherenta emission av fononer är den självpulserande BEC-emissionen under kontinuerlig excitation av en laser med energin ℏωL. Denna självpulsering identifieras av uppkomsten av starka sidband runt polariton BEC-emissionen förskjutna av multiplar av fononenergin ℏωa (jfr den röda kurvan i fig. Ib).

Analys av sidobandens amplitud i fig. Ib visar att hundratusentals monokromatiska fononer befolkar det resulterande vibrationstillståndet och sänds ut mot substratet som en 20 GHz koherent fononlaserstråle. En väsentlig egenskap hos designen är stimuleringen av fononerna av en intern mycket intensiv och monokromatisk ljussändare - polariton BEC - som kan exciteras inte bara optiskt utan också elektriskt, som i en Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL). Vidare, högre fononfrekvenser kan uppnås genom lämpliga modifieringar av mikrokavitetsdesignen. Potentiella tillämpningar av fononlasern inkluderar koherent styrning av ljusstrålar, kvantemitter, och grindar i kommunikations- och kvantinformationsenheter, samt dubbelriktad ljus-till-mikrovågsomvandling i ett mycket brett 20-300 GHz frekvensområde som är relevant för framtida nätverksteknologier.