平凡的水在激光技术的发展中展现出惊人的力量

平凡的水在激光技术的发展中展现出惊人的力量 华南理工大学洪丽红团队的实验照片显示，强烈的白光激光投射出一道绚丽的彩虹。图片来源：华南理工大学 L. Hong 等人。然而，这种追求面临着挑战，尤其是在选择合适的非线性介质方面。传统的固体材料虽然效率高，但在高功率峰值条件下容易造成光损伤。气体介质虽然不易损坏，但普遍存在效率低和技术复杂的问题。华南理工大学的研究人员最近采取了一项非常规举措，将水作为一种非线性介质。水资源丰富，价格低廉，即使在高功率激光的作用下，也不会对光学造成破坏。正如开放获取期刊《先进光子学》（Advanced Photonics Nexus）所报道的那样，水引起的光谱展宽涉及增强的自相位调制和受激拉曼散射，从而产生了一种超连续白光激光器，其435纳米的10分贝带宽覆盖了令人印象深刻的478-913纳米范围。在进一步创新的过程中，研究人员将水与啁啾周期极化铌酸锂晶体 （CPPLN）晶体结合起来，这种晶体以其强大的二阶非线性功率而著称。这种合作不仅扩大了超连续白光激光器的频率范围，还使其输出光谱更加平坦。据通讯作者李志远教授介绍："级联水-CPPLN模块为实现脉冲能量强、光谱平坦度高、带宽超宽的'三高'白光激光器提供了一条长寿命、高稳定、低成本的技术路线。"这项水-CPPLN 合作项目的产出前景广阔。这种超宽带超连续光源的脉冲能量为 0.6 mJ，10 dB 带宽超过一个倍频程（413-907 nm），在超快光谱学和超光谱成像方面具有潜力。李志远指出："它能在极端光谱带宽上以高信噪比提供物理、化学和生物过程的高分辨率。它为制造具有强脉冲能量、高光谱平整度和超宽带宽的长寿命、高稳定性和廉价白激光器开辟了一条有效途径，为科学研究和应用的新可能性铺平了道路"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

新型合成材料能使设备体积更小、信号强度要求更低、耗电量更少

新型合成材料能使设备体积更小、信号强度要求更低、耗电量更少 访问：NordVPN 立减 75% + 外加 3 个月时长 另有NordPass密码管理器 桑迪亚国家实验室的 Matt Eichenfield 团队使用多种微波频率来表征他们在硅晶片上制造的非线性声子混合装置。图片来源：Bret Latter/桑迪亚国家实验室这些进步的关键在于专家们所说的声子学，它与光子学类似。两者都利用了类似的物理定律，为技术进步提供了新的途径。光子学利用的是光子，而声子学利用的也是声子，声子是一种物理粒子，通过材料传递机械振动，类似于声音，但频率太高，听不到。亚利桑那大学怀恩特光学科学学院和桑迪亚国家实验室的研究人员在发表于《自然-材料》（Nature Materials）上的一篇论文中报告说，他们在基于声子学的实际应用方面取得了重大进展。通过将高度专业化的半导体材料和压电材料结合在一起，研究人员能够在声子之间产生巨大的非线性相互作用。结合之前利用相同材料展示声子放大器的创新成果，这为智能手机或其他数据发射器等无线设备变得更小、更高效、更强大提供了可能。这项研究的资深作者马特-艾肯菲尔德（Matt Eichenfield）说："大多数人可能会惊讶地发现，他们的手机内有大约 30 个滤波器，其唯一的工作就是将无线电波转换成声波，然后再转换回来。"他说，这些压电滤波器是所谓前端处理器的一部分，由特殊的微芯片制成，智能手机每次接收或发送数据时，都需要多次转换声波和电子波。艾申菲尔德说，由于这些滤波器不能像前端处理器中其他至关重要的芯片那样由硅等相同材料制成，因此设备的物理尺寸要比需要的大得多，而且在无线电波和声波之间来回转换时会产生损耗，这些损耗累积起来会降低设备的性能。左为马特-艾肯菲尔德，右为丽莎-哈克特，图为 COVID-19 大流行期间他们在桑迪亚国家实验室的实验室。在先前研究的基础上，该团队现在已经生产出了声学混频器，完成了在单芯片上制造射频前端所需的元件清单。图片来源：Bret Latter/桑迪亚国家实验室"通常情况下，声子的行为是完全线性的，这意味着它们不会相互影响。这有点像一束激光穿过另一束激光，它们只是互相穿过。"Eichenfield 说，非线性声子学是指在特殊材料中，当声子能够并确实相互影响时会发生的现象。在论文中，研究人员展示了他所说的"巨型声子非线性"。研究小组生产的合成材料使声子之间的相互作用比任何传统材料都要强烈得多。他说："用激光指示器来比喻，这就好比当你打开第二根激光指示器时，第一根激光指示器的光子频率发生了变化。因此，你会看到第一支激光笔的光束改变了颜色。"研究人员利用新型声子材料证明，一束声子实际上可以改变另一束声子的频率。更重要的是，他们证明了声子的操纵方式，而在此之前，只有基于晶体管的电子器件才能实现这种操纵方式。该研究小组一直在努力实现这样一个目标，即利用声波技术而不是基于晶体管的电子技术，在单个芯片上制造出射频信号处理器所需的所有元件，并与标准微处理器制造工艺兼容，最新发表的论文证明了这一点。此前，研究人员已成功制造出包括放大器、开关等在内的声学元件。通过最新出版物中描述的声学混频器，他们完成了最后一块拼图。Eichenfield说："现在，你可以指着射频前端处理器图中的每个元件说：'是的，可以用声波在一个芯片上制造出所有这些元件'。我们已经准备好在声学领域制造整个设备。"在单个芯片上集成制造射频前端所需的所有元件，可使手机和其他无线通信小工具等设备的体积缩小 100 倍之多。研究小组将高度专业化的材料结合到微电子尺寸的设备中，并通过这些设备发送声波，从而完成了原理验证。具体来说，他们在硅晶片上薄薄地涂上一层铌酸锂一种广泛应用于压电设备和手机的合成材料然后再加上一层超薄（厚度不到 100 个原子）的砷化镓铟半导体。论文第一作者、桑迪亚工程师丽莎-哈克特（Lisa Hackett）说："当我们以正确的方式将这些材料结合在一起时，我们就能够通过实验获得新的声子非线性机制。这意味着我们有了发明比以往任何时候都更小的发送和接收无线电波的高性能技术的出路。"在这种设置中，通过系统的声波在穿过材料时会出现非线性行为。这种效应可用于改变频率和编码信息。长期以来，非线性效应一直是光子学的主干，被用来将不可见的激光变成可见的激光指示器，但在声学中利用非线性效应却受到技术和材料的限制。例如，尽管铌酸锂是目前已知的非线性声子材料之一，但由于其本身的非线性非常弱，因此阻碍了其在技术应用中的实用性。通过添加砷化铟镓半导体，Eichenfield 的研究小组创造了一种环境，在这种环境中，声波穿过材料时会影响砷化铟镓半导体薄膜中的电荷分布，导致声波以可控的特定方式混合，从而为该系统的各种应用打开了大门。Eichenfield 说："使用这些材料可以产生的有效非线性是以前的数百甚至数千倍，这太疯狂了。如果能为非线性光学做同样的事情，那将彻底改变这个领域。"作者说，由于物理尺寸是目前最先进的射频处理硬件的基本限制之一，这项新技术可以为比目前同类产品功能更强的电子设备打开大门。几乎不占空间、信号覆盖范围更广、电池寿命更长的通信设备即将问世。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

研究人员开发出一种利用磁子传输量子信息的新方法

研究人员开发出一种利用磁子传输量子信息的新方法 HZDR 的研究人员成功地在磁盘中产生了类似于波的激发即所谓的磁子来专门操纵碳化硅中原子大小的量子比特。这为量子网络中的信息传输开辟了新的可能性。图片来源：HZDR / Mauricio Bejarano为了满足这一需求，德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）的一个研究小组现在推出了一种传输量子信息的新方法：该小组通过利用磁子（磁性材料中的波状激起）的磁场来操纵量子比特（即所谓的量子比特），磁子发生在微观磁盘中。研究人员在《科学进展》（Science Advances）杂志上发表了他们的研究成果。建造可编程的通用量子计算机是当代最具挑战性的工程和科学研究之一。这种计算机的实现为物流、金融和制药等不同行业领域带来了巨大潜力。然而，由于量子计算机技术在存储和处理信息时存在固有的脆弱性，因此阻碍了实用量子计算机的建造。量子信息被编码在量子比特中，而量子比特极易受到环境噪声的影响。微小的热波动（几分之一度）就可能完全破坏计算。这促使研究人员将量子计算机的功能分布在不同的独立构件中，以努力降低出错率，并利用这些构件的互补优势。"然而，这就带来了一个问题，即如何在模块之间传输量子信息，使信息不会丢失，"HZDR 研究员、该刊物第一作者毛里西奥-贝哈拉诺（Mauricio Bejarano）说。"我们的研究正是在这个特定的利基上，在不同的量子模块之间传输通信。"目前，传输量子信息和寻址量子比特的既定方法是通过微波天线。这是Google和 IBM 在其超导芯片中使用的方法，也是在这场量子竞赛中处于领先地位的技术平台。"而我们则是通过磁子来寻址量子比特。磁子可被视为穿过磁性材料的磁激发波。这样做的好处是，磁子的波长在微米范围内，比传统微波技术的厘米波短得多。因此，磁子的微波足迹在芯片中花费的空间更少。HZDR 小组研究了磁子与碳化硅晶体结构中硅原子空位形成的量子比特的相互作用，碳化硅是一种常用于大功率电子器件的材料。这类量子比特通常被称为自旋量子比特，因为量子信息是由空位的自旋状态编码的。但是，如何利用磁子来控制这类量子比特呢？"通常情况下，磁子是通过微波天线产生的。"贝哈拉诺解释说："这就带来了一个问题，即很难将来自天线的微波驱动与来自磁子的微波驱动分离开来。"为了将微波从磁子中分离出来，HZDR 团队利用了一种在镍铁合金微观磁盘中可以观察到的奇特磁现象。"由于非线性过程，磁盘内的一些磁子具有比天线驱动频率低得多的频率。我们只用这些频率较低的磁子来操纵量子比特"。研究小组强调，他们还没有进行任何量子计算。不过，他们表明，完全用磁子处理量子比特从根本上是可行的。"迄今为止，量子工程界还没有意识到磁子可以用来控制量子比特，"Schultheiß强调说。"但我们的实验证明，这些磁波确实可以派上用场"。为了进一步发展他们的方法，研究小组已经在为未来的计划做准备：他们想尝试控制几个间距很近的单个量子比特，让磁子介导它们的纠缠过程这是进行量子计算的先决条件。他们的设想是，从长远来看，磁子可以被直接电流激发，其精确度可以达到在量子比特阵列中专门针对单个量子比特。这样就可以将磁子用作可编程量子总线，以极其有效的方式寻址量子比特。虽然未来还有大量工作要做，但该研究小组的研究强调，将磁子系统与量子技术相结合，可以为未来开发实用量子计算机提供有益的启示。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

光子学技术新突破：科学家用微型芯片产生高质量微波信号

光子学技术新突破：科学家用微型芯片产生高质量微波信号 盖塔实验室开发的光子集成芯片的高级示意图，该芯片用于全光学光分频（OFD）一种将高频信号转换为低频信号的方法。图片来源：Yun Zhao/哥伦比亚工程学院这种芯片非常小巧，可以装在锋利的铅笔尖上，是迄今为止在集成光子平台上观察到的最低微波噪声。这项成果为高速通信、原子钟和自动驾驶汽车等应用提供了一条通往小尺寸超低噪声微波发生器的光明之路。用于全球导航、无线通信、雷达和精密计时的电子设备需要稳定的微波源作为时钟和信息载体。要提高这些设备的性能，关键在于减少微波中存在的噪声或相位随机波动。"在过去的十年中，一种被称为光分频的技术产生了迄今为止噪音最低的微波信号，"哥伦比亚工程学院应用物理和材料科学大卫-M-里基教授兼电气工程教授亚历山大-盖塔说。"通常情况下，这样的系统需要多个激光器和相对较大的体积来容纳所有元件。"光分频一种将高频信号转换为低频信号的方法是最近产生微波的创新技术，其中的噪声已被大大抑制。然而，由于光分频系统占用桌面空间较大，因此无法用于微型传感和通信应用，而这些应用需要更紧凑的微波源，因此光分频系统已被广泛采用。盖塔说："我们已经实现了一种设备，只需使用单个激光器，就能在面积小至 1 平方毫米的芯片上完全实现光分频。我们首次展示了无需电子设备的光学分频过程，大大简化了设备设计。"量子和非线性光子学：创新的核心盖塔的研究小组专门研究量子和非线性光子学，即激光如何与物质相互作用。研究的重点领域包括非线性纳米光子学、频率梳生成、强超快脉冲相互作用以及光量子态的生成和处理。在目前的研究中，他的研究小组设计并制造了一种片上全光学器件，该器件能产生 16 GHz 的微波信号，其频率噪声是迄今在集成芯片平台上实现的最低频率噪声。该设备使用两个由氮化硅制成的微谐振器，通过光子耦合在一起。单频激光器泵浦两个微谐振器。其中一个用于产生光参量振荡器，将输入波转换成两个输出波一个频率较高，一个频率较低。两个新频率的频率间隔被调整为太赫兹频率。由于振荡器的量子相关性，这种频率差异的噪声可比输入激光波的噪声小数千倍。第二个微谐振器经调整后可产生具有微波间隔的光频梳。然后，振荡器发出的少量光被耦合到梳状频率发生器，从而使微波梳状频率与太赫兹振荡器同步，自动实现光分频。潜在影响和未来应用盖塔研究小组的工作代表了一种在小型、坚固和高度便携的封装内进行光学分频的简单而有效的方法。这些研究成果为芯片级设备打开了大门，这些设备能够产生稳定、纯净的微波信号，可与进行精密测量的实验室产生的信号相媲美。他说："最终，这种全光分频将带来未来电信设备的新设计。它还能提高用于自动驾驶汽车的微波雷达的精度。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家利用激光技术揭示了量子材料隐藏的特性

科学家利用激光技术揭示了量子材料隐藏的特性 加州大学圣迭戈分校的研究人员利用一种先进的光学技术进一步了解了一种名为Ta2NiSe5（TNS）的量子材料。他们的研究成果发表在《自然-材料》（Nature Materials）杂志上。材料可以通过不同的外部刺激受到扰动，通常是温度或压力的变化；然而，由于光是宇宙中速度最快的东西，材料对光刺激的反应非常快，从而揭示出原本隐藏的特性。通过改进技术，研究小组获得了更广泛的频率范围，从而揭示了 TNS 激子凝聚态的一些隐藏特性。资料来源：Sheikh Rubaiat Ul Haque / 斯坦福大学量子材料中的先进光学技术"从本质上讲，我们用激光照射一种材料，这就像定格摄影，我们可以逐步跟踪该材料的某种特性，"领导这项研究的物理学教授理查德-阿维特说，他也是论文的作者之一。"通过观察组成粒子如何在该系统中移动，我们可以找出这些以其他方式很难发现的特性。"该实验由第一作者谢赫-鲁巴亚特-乌尔-哈克（Sheikh Rubaiat Ul Haque）完成，他于2023年从加州大学圣地亚哥分校毕业，现在是斯坦福大学的一名博士后学者。他与阿弗里特实验室的另一名研究生张远一起改进了一种名为太赫兹时域光谱学的技术。这项技术允许科学家在一定频率范围内测量材料的特性，而哈克的改进使他们能够获得更广泛的频率范围。量子态和光放大这项工作基于论文的另一位作者、苏黎世联邦理工学院教授尤金-德姆勒（Eugene Demler）提出的理论。Demler 和他的研究生马里奥斯-迈克尔（Marios Michael）提出了这样一个观点：当某些量子材料被光激发时，它们可能会变成一种能放大太赫兹频率光的介质。这促使哈克及其同事仔细研究 TNS 的光学特性。当电子被光子激发到更高的层次时，会留下一个空穴。如果电子和空穴结合在一起，就会产生激子。激子还可能形成凝聚态当粒子聚集在一起并表现为单一实体时会出现的一种状态。在 Demler 理论的支持下，利用马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所 Angel Rubio 小组的密度泛函计算，研究小组得以观测到反常的太赫兹光放大现象，从而揭示了 TNS 激子凝聚态的一些隐藏特性。凝缩物是一种定义明确的量子态，使用这种光谱技术可以将它们的某些量子特性印刻到光上。这可能会对利用量子材料的纠缠光源（多个光源具有相互关联的特性）这一新兴领域产生影响。哈克说："我认为这是一个广阔的领域。Demler的理论可以应用于一系列具有非线性光学特性的其他材料。有了这项技术，我们就能发现以前从未探索过的新的光诱导现象。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

超快定时激光脉冲揭示更多量子材料的独特性能

超快定时激光脉冲揭示更多量子材料的独特性能 光诱导的双极子对极子形成扭曲了准一维原子晶格，在伪间隙的形成过程中发挥了重要作用。资料来源：Steven Burrows/Murnane 和 Kapteyn 小组当电子和声子强烈相互作用时，它们的行为就像"准"粒子，而不是单一的孤立粒子。这些相互作用以极短的时间尺度发生：电子之间的相互作用以飞秒（10-15秒）甚至更快的速度发生，而声子的反应则更慢，在数百飞秒内发生，因为较重的原子比电子移动得更慢。为了研究这些相互作用，科学家通常会改变材料的温度、压力或化学成分，并测量其电学特性，以了解这些相互作用。然而，承载不同相互作用的材料可能会表现出非常相似的特性，这就给精确定位这些相互作用的确切性质带来了挑战。为了克服这个问题，JILA 研究生张颖超与 JILA 研究员 Henry Kapteyn 和 Margaret Murnane 以及科罗拉多大学博尔德分校物理学教授 Rahul Nandkishore 合作，利用一种强大的新方法精确识别量子材料中的声子相互作用，研究成果发表在《纳米快报》（Nano Letters）杂志上。他们利用超精确、定时的激光脉冲和极紫外线脉冲，测量了响应时间，并精确地看到了电子和声子是如何相互作用的。这种方法为更好地控制和操纵量子材料铺平了道路。在这项新研究中，研究人员比较了两种不同材料（(TaSe4)2I 和 Rb0.3MoO3，又称铷蓝青铜）中的电子在受到光的轻微扰动后的反应。这些材料之所以是一维（1D）材料，是因为如相应的图所示，它们沿一个方向具有强键，而在垂直方向上的键较弱。这就迫使电子和声子之间发生强烈的相互作用，使这些材料的特性非常依赖于量子现象。从历史上看，这两种材料都被认为有一个由电子和声子之间的耦合产生的小的绝缘间隙，称为极子。在试图理解极子内部的量子相互作用时，这种绝缘间隙会造成问题，因为要激发材料内部的任何相互作用变得十分困难。然而，与这项实验工作同时进行的斯坦福大学的一项最新研究表明，某些材料中的绝缘间隙可能是由极子相互作用产生双极子（或极子对）而产生的。由于小型双极子与玻色子（一种基本粒子）具有相似的性质，一些专家推测，双极子可能会产生一种玻色-爱因斯坦冷凝物（BEC），这可能是材料超导的一种机制。JILA和科罗拉多大学博尔德分校的研究人员指出，他们的实验可以在这种双极子情况下自然地得到解释，表明(TaSe4)2I材料是一种双极子绝缘体。Nandkishore解释说："这是一个很好的例子，说明理论与实验的结合可以带来新的见解。"超越材料松弛时间为此，研究小组使用超快激光脉冲温和地激发两种材料中的若干电子。然后，使用波长比可见光短十倍的超快极紫外脉冲来准确观察电子被激发的能量和位置。通过跟踪激发电子的能量和位置，研究人员可以看到 (TaSe4)2I 中双极子熔化成单极子的特征。除了了解是什么相互作用导致了绝缘间隙，研究人员还观察到两种材料的弛豫时间不同。弛豫时间，即材料从应力、热或光中恢复所需的时间，根据材料内部的量子相互作用而变化。在 (TaSe4)2I中，晶格中的原子需要重新排列，因为双极子会熔化成单极子。这个过程大约需要 250 飞秒，然后在 1500 飞秒内缓慢弛豫到双极子基态，如相应的图所示。Nandkishore 补充说："观察激发电子的位置并测量其弛豫时间的能力，为了解这些材料中的微观相互作用提供了新的视角，而传统的实验技术是无法做到这一点的。"相比之下，Rb0.3MoO3 中的电子对光的反应和弛豫时间要快十倍（约 60 飞秒），这清楚地表明，电子之间的相互作用一定是这种一维材料产生绝缘间隙的原因。这种更快的弛豫时间似乎与一种不同的物理学理论（即卢廷格-液体理论）相吻合。在鲁丁格液体中，电子的运动更像是音乐会上的人群，而不是单个的电子。它们彼此强烈互动，形成一种集体行为。这种集体行为使液体像绝缘体一样，拒绝传导电流。这种由 JILA 和科罗拉多大学博尔德分校研究人员展示的新方法还可用于揭示其他材料（如超导体和二维材料）中量子准粒子相互作用的性质。"我们很高兴能够精确探测材料中电子、声子和自旋之间在基本时间尺度上的相互作用，从而揭示这些材料具有其特性的原因，并学习如何操纵它们，"Murnane 说。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：