Amplificación del sonido mediante emisión estimulada de radiación

La amplificación del sonido mediante emisión estimulada de radiación (SASER) se refiere a un dispositivo que emite radiación acústica. Enfoca las ondas sonoras de manera que puedan servir como portadores de información precisos y de alta velocidad en muchos tipos de aplicaciones, de manera similar a los usos de la luz láser.

La radiación acústica (ondas sonoras) se puede emitir mediante el proceso de amplificación del sonido basado en la emisión estimulada de fonones. El sonido (o vibración reticular) se puede describir mediante un fonón, al igual que la luz se puede considerar como fotones, y por lo tanto se puede afirmar que el SASER es el análogo acústico del láser.

En un dispositivo SASER, una fuente (por ejemplo, un campo eléctrico que actúa como bomba) produce ondas sonoras (vibraciones reticulares, fonones) que viajan a través de un medio activo. En este medio activo, una emisión estimulada de fonones produce una amplificación de las ondas sonoras, lo que da como resultado un haz de sonido que sale del dispositivo. Los haces de ondas sonoras emitidos por estos dispositivos son altamente coherentes.

Los primeros SASER que tuvieron éxito se desarrollaron en 2009.

En lugar de una onda de radiación electromagnética generada por retroalimentación (es decir, un rayo láser), un SASER emite una onda de sonido. El SASER también puede denominarse láser de fonones, láser acústico o láser de sonido.

Los SASER podrían tener amplias aplicaciones. Además de facilitar la investigación de los ultrasonidos de frecuencia de terahercios, es probable que también encuentren usos en la optoelectrónica (dispositivos electrónicos que detectan y controlan la luz, como método de transmisión de una señal de un extremo al otro de, por ejemplo, fibras ópticas), como método de modulación y/o transmisión de señales.

Estos dispositivos podrían ser instrumentos de medición de alta precisión y podrían producir sonido concentrado de alta energía.

El uso de SASER para manipular electrones dentro de semiconductores podría, en teoría, dar como resultado procesadores informáticos con frecuencias de terahercios, mucho más rápidos que los chips actuales.

Este concepto puede ser más concebible si lo imaginamos en analogía con la teoría del láser. Theodore Maiman operó el primer LASER funcional el 16 de mayo de 1960 en los Laboratorios de Investigación Hughes, en Malibú, California. Un dispositivo que funciona según la idea central de la teoría de la "amplificación del sonido por emisión estimulada de radiación" es el láser termoacústico. Se trata de un tubo semiabierto con un diferencial de calor a través de un material poroso especial insertado en el tubo. Al igual que un láser de luz, un SASER termoacústico tiene una cavidad de alto Q y utiliza un medio de ganancia para amplificar las ondas coherentes. Para obtener más explicaciones, consulte el motor térmico termoacústico.

La posibilidad de la acción del láser fonónico se ha propuesto en una amplia gama de sistemas físicos, como la nanomecánica, los semiconductores, los nanoimanes y los iones paramagnéticos en una red.

Para el desarrollo del SASER era necesario encontrar materiales que estimulasen la emisión. La generación de fonones coherentes en una heteroestructura semiconductora de doble barrera se propuso por primera vez alrededor de 1990. La transformación de la energía potencial eléctrica en un modo vibracional de la red se ve facilitada notablemente por el confinamiento electrónico en una estructura de doble barrera. Sobre esta base, los físicos buscaban materiales en los que la emisión estimulada, en lugar de la emisión espontánea, fuera el proceso de desintegración dominante. En 2009 se demostró experimentalmente por primera vez un dispositivo en el rango de los gigahercios.

En 2010, dos grupos independientes idearon dos dispositivos diferentes que producen fonones coherentes en cualquier frecuencia en el rango de megahercios a terahercios. Un grupo de la Universidad de Nottingham estaba formado por A.J. Kent y sus colegas R.P. Beardsley, A.V. Akimov, W. Maryam y M. Henini. El otro grupo del Instituto Tecnológico de California (Caltech) estaba formado por Ivan S. Grudinin, Hansuek Lee, O. Painter y Kerry J. Vahala de Caltech y realizó un estudio sobre la acción láser de fonones en un sistema de dos niveles ajustable. El dispositivo de la Universidad de Nottingham opera a unos 440 GHz, mientras que el dispositivo de Caltech opera en el rango de megahercios. Según un miembro del grupo de Nottingham, los dos enfoques son complementarios y debería ser posible utilizar uno u otro dispositivo para crear fonones coherentes en cualquier frecuencia en el rango de megahercios a terahercios. Un resultado significativo surge de la frecuencia de funcionamiento de estos dispositivos. Las diferencias entre los dos dispositivos sugieren que los SASER podrían funcionar en un amplio rango de frecuencias.

El trabajo sobre el SASER continúa en la Universidad de Nottingham, el Instituto Lashkarev de Física de Semiconductores de la Academia Nacional de Ciencias de Ucrania y Caltech.

En 2023, unos investigadores que utilizaron una trampa de Paul consiguieron que dos iones formaran un láser de fonones que contenía menos de 10 fonones, lo que lo situó firmemente en el régimen cuántico, mientras que los láseres de fonones anteriores tenían al menos 10.000 fonones.

La idea central de SASER se basa en las ondas sonoras. El sistema necesario para la amplificación del sonido mediante emisión estimulada de radiación es similar al de un oscilador. Un oscilador puede producir oscilaciones sin ningún mecanismo de alimentación externo. Un ejemplo es un sistema de amplificación de sonido común con un micrófono, un amplificador y un altavoz. Cuando el micrófono está delante del altavoz, oímos un silbido molesto. Este silbido se genera sin ninguna contribución adicional de la fuente de sonido y se refuerza a sí mismo y es autosuficiente mientras el micrófono se encuentra en algún lugar delante del altavoz. Este fenómeno, conocido como efecto Larsen, es el resultado de una retroalimentación positiva.

En general, cada oscilador consta de tres partes principales: la fuente de energía o bomba, el amplificador y la retroalimentación positiva que conduce a la salida. Las partes correspondientes en un dispositivo SASER son el mecanismo de excitación o bombeo, el medio activo (amplificador) y la retroalimentación que conduce a la radiación acústica. El bombeo se puede realizar, por ejemplo, con un campo eléctrico alterno o con algunas vibraciones mecánicas de resonadores. El medio activo debe ser un material en el que se pueda inducir la amplificación del sonido. Un ejemplo de un mecanismo de retroalimentación en el medio activo es la existencia de capas superreticulares que reflejan los fonones y los obligan a rebotar repetidamente para amplificar el sonido.

Por lo tanto, para comprender el diseño de un SASER, debemos imaginarlo en analogía con un dispositivo láser. En un láser, el medio activo se coloca entre dos superficies de espejo (reflectores) de un interferómetro Fabry-Pérot. Un fotón emitido espontáneamente dentro de este interferómetro puede obligar a los átomos excitados a desintegrar un fotón de la misma frecuencia, el mismo momento, la misma polarización y la misma fase. Debido a que el momento (como vector) del fotón es casi paralelo a los ejes de los espejos, es posible que los fotones repitan múltiples reflexiones y obliguen a más y más fotones a seguirlos, produciendo un efecto de avalancha. El número de fotones de este rayo láser coherente aumenta y compite con el número de fotones perdidos debido a pérdidas. La condición básica necesaria para la generación de una radiación láser es la inversión de población, que puede lograrse ya sea excitando átomos e induciendo la percusión o mediante la absorción de radiación externa. Un dispositivo SASER imita este procedimiento utilizando una fuente-bomba para inducir un haz de sonido de fonones. Este haz de sonido no se propaga en una cavidad óptica, sino en un medio activo diferente. Un ejemplo de un medio activo es la superred. Una superred puede constar de múltiples redes ultradelgadas de dos semiconductores diferentes. Estos dos materiales semiconductores tienen diferentes brechas de banda y forman pozos cuánticos, que son pozos de potencial que confinan a las partículas para que se muevan en dos dimensiones en lugar de tres, lo que las obliga a ocupar una región plana. En la superred, se compone un nuevo conjunto de reglas de selección que afectan las condiciones de flujo de cargas a través de la estructura. Cuando esta configuración es excitada por una fuente, los fonones comienzan a multiplicarse mientras se reflejan en los niveles de la red, hasta que escapan de la estructura de la red en forma de un haz de fonones de frecuencia ultraalta.

En concreto, una emisión concertada de fonones puede dar lugar a un sonido coherente, y un ejemplo de emisión concertada de fonones es la emisión procedente de pozos cuánticos. Esto se encuentra en una trayectoria similar a la del láser, donde una luz coherente puede formarse mediante la emisión concertada y estimulada de luz de muchos átomos. Un dispositivo SASER transforma la energía potencial eléctrica en un único modo vibracional de la red (fonón).

El medio en el que se produce la amplificación está formado por pilas de capas delgadas de semiconductores que, en conjunto, forman pozos cuánticos. En estos pozos, los electrones pueden ser excitados por paquetes de ultrasonidos de milielectronvoltios de energía. Esta cantidad de energía equivale a una frecuencia de 0,1 a 1 THz.

Así como la luz es un movimiento ondulatorio que se considera compuesto de partículas llamadas fotones, podemos pensar en los modos normales de vibración en un sólido como si fueran similares a partículas. El cuanto de vibración reticular se llama fonón. En dinámica reticular queremos encontrar los modos normales de vibración de un cristal. En otras palabras, necesitamos calcular las energías (o frecuencias) de los fonones como una función de su vector de onda k. La relación entre la frecuencia ω y el vector de onda k se llama dispersión de fonones.

La luz y el sonido son similares en varios aspectos. Ambos pueden considerarse ondas y ambos se expresan en unidades de mecánica cuántica. En el caso de la luz, tenemos fotones, mientras que en el caso del sonido, tenemos fonones. Tanto el sonido como la luz pueden producirse como conjuntos aleatorios de cuantos (por ejemplo, la luz emitida por una bombilla) u ondas ordenadas que viajan de forma coordinada (por ejemplo, la luz láser). Este paralelismo implica que los láseres deberían ser tan factibles con el sonido como con la luz. En el siglo XXI, es fácil producir sonido de baja frecuencia en el rango que los humanos pueden oír (~20 kHz), ya sea de forma aleatoria u ordenada. Sin embargo, en las frecuencias de terahercios en el régimen de aplicaciones de láser de fonones, surgen más dificultades. El problema surge del hecho de que el sonido viaja mucho más lento que la luz. Esto significa que la longitud de onda del sonido es mucho más corta que la de la luz a una frecuencia dada. En lugar de producir fonones coherentes y ordenados, las estructuras láser capaces de producir sonido en terahercios tienden a emitir fonones de forma aleatoria. Los investigadores han superado el problema de las frecuencias de terahercios siguiendo varios enfoques. Los científicos de Caltech han superado este problema ensamblando un par de cavidades microscópicas que sólo permiten la emisión de frecuencias específicas de fonones. Este sistema también se puede ajustar para emitir fonones de diferentes frecuencias modificando la separación relativa de las microcavidades. Por otro lado, el grupo de la Universidad de Nottingham adoptó un enfoque diferente. Han construido su dispositivo a partir de electrones que se mueven a través de una serie de estructuras conocidas como pozos cuánticos. En pocas palabras, cuando un electrón salta de un pozo cuántico a otro pozo vecino, produce un fonón.

El bombeo de energía externa (por ejemplo, un haz de luz o un voltaje) puede ayudar a la excitación de un electrón. La relajación de un electrón desde uno de los estados superiores puede ocurrir por la emisión de un fotón o un fonón. Esto está determinado por la densidad de estados de fonones y fotones. La densidad de estados es el número de estados por unidad de volumen en un intervalo de energía (E, E + dE) que están disponibles para ser ocupados por electrones. Tanto los fonones como los fotones son bosones y, por lo tanto, obedecen a la estadística de Bose-Einstein. Esto significa que, dado que los bosones con la misma energía pueden ocupar el mismo lugar en el espacio, los fonones y los fotones son partículas portadoras de fuerza y tienen espines enteros. Hay más estados permitidos disponibles para ocupación en un campo de fonones que en un campo de fotones. Por lo tanto, dado que la densidad de estados terminales en el campo de fonones excede a la de un campo de fotones (hasta en ~10⁵), la emisión de fonones es, con mucho, el evento más probable. También podríamos imaginar un concepto en el que la excitación de un electrón conduzca brevemente a la vibración de la red y, por lo tanto, a la generación de fonones. La energía de vibración de la red puede tomar valores discretos para cada excitación. Cada uno de estos "paquetes de excitación" se llama fonón. Un electrón no permanece en un estado excitado durante demasiado tiempo. Libera energía fácilmente para volver a su estado estable de baja energía. Los electrones liberan energía en cualquier dirección aleatoria y en cualquier momento (después de su excitación). En algunos momentos particulares, algunos electrones se excitan mientras que otros pierden energía de una manera que la energía promedio del sistema es la más baja posible.

Al bombear energía al sistema podemos lograr una inversión de población. Esto significa que hay más electrones excitados que electrones en el estado de energía más bajo en el sistema. A medida que el electrón libera energía (por ejemplo, un fonón), interactúa con otro electrón excitado para liberar también su energía. Por lo tanto, tenemos una emisión estimulada, lo que significa que se libera mucha energía (por ejemplo, radiación acústica, fonones) al mismo tiempo. Se puede mencionar que la emisión estimulada es un procedimiento en el que tenemos una emisión espontánea y una inducida al mismo tiempo. La emisión inducida proviene del procedimiento de bombeo y luego se suma a la emisión espontánea.

Un dispositivo SASER debe constar de un mecanismo de bombeo y un medio activo. El procedimiento de bombeo puede ser inducido, por ejemplo, por un campo eléctrico alterno o con algunas vibraciones mecánicas de resonadores, seguido de una amplificación acústica en el medio activo. El hecho de que un SASER funcione según principios notablemente similares a los de un láser, puede llevar a una forma más fácil de entender las circunstancias de funcionamiento relevantes. En lugar de una potente onda de radiación electromagnética construida por retroalimentación, un SASER emite una potente onda de sonido. Hasta ahora se han propuesto algunos métodos para la amplificación del sonido de GHz-THz. Algunos se han explorado solo teóricamente y otros se han explorado en experimentos no coherentes.

Observamos que las ondas acústicas de 100 GHz a 1 THz tienen longitudes de onda en el rango nanométrico. La amplificación del sonido según el experimento realizado en la Universidad de Nottingham podría basarse en una cascada inducida de electrones en superredes de semiconductores. Los niveles de energía de los electrones están confinados en las capas de la superred. A medida que los electrones saltan entre los pozos cuánticos de arseniuro de galio en la superred, emiten fonones. Entonces, un fonón que entra produce dos fonones que salen de la superred. Este proceso puede ser estimulado por otros fonones y luego dar lugar a una amplificación acústica. Al agregar electrones, se producen fonones de longitud de onda corta (en el rango de los terahercios). Dado que los electrones están confinados en los pozos cuánticos existentes dentro de la red, la transmisión de su energía depende de los fonones que generan. A medida que estos fonones chocan con otras capas de la red, excitan a los electrones, que producen más fonones, que a su vez excitan a más electrones, y así sucesivamente. Finalmente, un haz muy estrecho de ultrasonidos de alta frecuencia sale del dispositivo. Las superredes de semiconductores se utilizan como espejos acústicos. Estas estructuras de superredes deben tener el tamaño adecuado, de acuerdo con la teoría del reflector Bragg distribuido multicapa, de manera similar a los espejos dieléctricos multicapa en óptica.

Para comprender los aspectos básicos del desarrollo de SASER es necesario evaluar algunos ejemplos propuestos de dispositivos SASER y esquemas teóricos de SASER.

En el esquema teórico propuesto, el medio activo es un dieléctrico líquido (por ejemplo, agua destilada ordinaria) en el que las partículas dispersas se distribuyen uniformemente. Los medios de electrólisis provocan burbujas de gas que sirven como partículas dispersas. Una onda bombeada excitada en el medio activo produce una variación periódica de los volúmenes de las partículas dispersas (burbujas de gas). Como la distribución espacial inicial de las partículas es uniforme, las ondas emitidas por las partículas se suman con diferentes fases y dan como resultado cero en promedio. Sin embargo, si el medio activo se encuentra en un resonador, entonces se puede excitar un modo estacionario en él. Las partículas se agrupan bajo la acción de las fuerzas de radiación acústica. En este caso, las oscilaciones de las burbujas se sincronizan automáticamente y el modo útil se amplifica.

La similitud de este con el láser de electrones libres es útil para comprender los conceptos teóricos del esquema. En un láser de electrones libres, los electrones se mueven a través de sistemas periódicos magnéticos produciendo radiación electromagnética. La radiación de los electrones es inicialmente incoherente, pero luego, debido a la interacción con la onda electromagnética útil, comienzan a agruparse según la fase y se vuelven coherentes. De esta manera, el campo electromagnético se amplifica.

Observamos que, en el caso de los radiadores piezoeléctricos que se suelen utilizar para generar ultrasonidos, sólo irradia la superficie de trabajo y, por tanto, el sistema de trabajo es bidimensional. Por otra parte, un dispositivo de amplificación de sonido por emisión estimulada de radiación es un sistema tridimensional, ya que irradia todo el volumen del medio activo.

La mezcla de gas y líquido del medio activo llena el resonador. La densidad de burbujas en el líquido se distribuye inicialmente de manera uniforme en el espacio. Como la onda se propaga en un medio de este tipo, la onda de bombeo provoca la aparición de una onda cuasiperiódica adicional. Esta onda está acoplada a la variación espacial de la densidad de burbujas bajo la acción de las fuerzas de presión de radiación. Por lo tanto, la amplitud de la onda y la densidad de burbujas varían lentamente en comparación con el período de las oscilaciones.

En el esquema teórico donde el uso de resonadores es esencial, la radiación SASER pasa a través de las paredes del resonador, que son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda de bombeo. Según un ejemplo de un SASER bombeado eléctricamente, el medio activo está confinado entre dos planos, que están definidos por las paredes sólidas del resonador. La radiación, entonces, se propaga a lo largo de un eje paralelo al plano definido por las dos paredes del resonador. El campo eléctrico estático que actúa sobre el líquido con burbujas de gas da como resultado la deformación de los dieléctricos y, por lo tanto, conduce a un cambio en los volúmenes de las partículas. Observamos que, las ondas electromagnéticas en el medio se propagan con una velocidad mucho mayor que la velocidad del sonido en el mismo medio. Esto lleva a la suposición de que la onda de bombeo efectiva que actúa sobre las burbujas no depende de las coordenadas espaciales. La presión de una bomba de onda en el sistema conduce tanto a la aparición de una onda hacia atrás como a una inestabilidad dinámica del sistema.

Los análisis matemáticos han demostrado que para que se inicie la generación de oscilaciones se deben superar dos tipos de pérdidas. Las pérdidas del primer tipo están asociadas a la dispersión de energía dentro del medio activo y las pérdidas del segundo tipo se deben a pérdidas de radiación en los extremos del resonador. Estos tipos de pérdidas son inversamente proporcionales a la cantidad de energía almacenada en el resonador. En general, la disparidad de los radiadores no juega un papel en cualquier intento de cálculo matemático de las condiciones de partida. Las burbujas con frecuencias de resonancia cercanas a la frecuencia de bombeo son las que hacen la principal contribución a la ganancia del modo útil. Por el contrario, la determinación de la presión de partida en los láseres ordinarios es independiente del número de radiadores. El modo útil crece con el número de partículas, pero la absorción acústica aumenta al mismo tiempo. Ambos factores se neutralizan entre sí. Las burbujas juegan el papel principal en la dispersión de energía en un SASER.

En 1995 se introdujo un esquema de amplificación de sonido mediante emisión estimulada de radiación utilizando burbujas de gas como medio activo. El bombeo se crea mediante oscilaciones mecánicas de un resonador cilíndrico y la agrupación de fases de las burbujas se realiza mediante fuerzas de radiación acústica. Un hecho notable es que las burbujas de gas solo pueden oscilar bajo una acción externa, pero no de forma espontánea. Según otros esquemas propuestos, las oscilaciones de electrostricción de los volúmenes de partículas dispersas en el resonador cilíndrico se realizan mediante un campo electromagnético alterno. Sin embargo, un esquema SASER con un campo eléctrico alterno como bomba tiene una limitación. Se requiere una amplitud muy grande de campo eléctrico (hasta decenas de kV/cm) para realizar la amplificación. Estos valores se aproximan a la intensidad de punción eléctrica de los dieléctricos líquidos. Por lo tanto, un estudio propone un esquema SASER sin esta limitación. El bombeo se crea mediante pulsaciones mecánicas radiales de un cilindro. Este cilindro contiene un medio activo: un dieléctrico líquido con burbujas de gas. La radiación se emite a través de las caras del cilindro.

Un grupo del Instituto de Espectroscopia de Moscú (Rusia) ha presentado una propuesta para el desarrollo de un láser de fonones sobre transiciones de fonones resonantes. Se mencionaron dos esquemas para la generación de fonones estimulados de forma constante. El primer esquema explota un semiconductor indirecto de brecha estrecha o una heteroestructura de semiconductor indirecto de brecha análoga, en la que la sintonización en resonancia de la transición de un fonón de la recombinación electrón-hueco se puede llevar a cabo mediante presión externa, campos magnéticos o eléctricos. El segundo esquema utiliza la transición de un fonón entre niveles de excitón directo e indirecto en pozos cuánticos acoplados. Observamos que un excitón es una cuasipartícula eléctricamente neutra que describe una excitación elemental de materia condensada. Puede transportar energía sin transportar carga eléctrica neta. La sintonización en resonancia de esta transición se puede lograr mediante la ingeniería de la dispersión del excitón indirecto mediante campos eléctricos normales y magnéticos externos en el plano.

Se supone que la magnitud del vector de onda del fonón en el segundo esquema propuesto está determinada por la magnitud del campo magnético en el plano. Por lo tanto, este tipo de SASER es ajustable (es decir, su longitud de onda de operación se puede alterar de manera controlada).

Los láseres semiconductores comunes sólo pueden implementarse en semiconductores de gap directo. El razonamiento que subyace a ello es que un par de electrones y huecos cerca de los mínimos de sus bandas en un semiconductor de gap indirecto sólo pueden recombinarse con la producción de un fonón y un fotón, debido a las leyes de conservación de la energía y el momento. Este tipo de proceso es débil en comparación con la recombinación electrón-hueco en un semiconductor directo. En consecuencia, el bombeo de estas transiciones tiene que ser muy intenso para obtener una generación de láser constante. Por lo tanto, la transición láser con producción de una sola partícula (fotón) debe ser resonante. Esto significa que las leyes de conservación de la energía y el momento deben permitir que la transición láser se genere de forma constante. Los fotones tienen vectores de onda despreciables y, por lo tanto, los extremos de la banda tienen que estar en la misma posición que la zona de Brillouin. Por otro lado, para dispositivos como los SASER, los fonones acústicos tienen una dispersión considerable. Según la dinámica, esto lleva a la afirmación de que los niveles en los que debe operar el láser deben estar en el espacio k entre sí. El espacio k se refiere a un espacio en el que las cosas se expresan en términos de momento y frecuencia en lugar de posición y tiempo. La conversión entre el espacio real y el espacio k es una transformación matemática llamada transformada de Fourier y, por lo tanto, el espacio k también puede llamarse espacio de Fourier.

Observamos que la diferencia de energía de los niveles de emisión láser de fotones tiene que ser al menos menor que la energía de Debye en el semiconductor. Aquí podemos pensar en la energía de Debye como la energía máxima asociada con los modos vibracionales de la red. Dichos niveles pueden formarse mediante bandas de conducción y valencia en semiconductores indirectos de espacio estrecho.

La brecha de energía en un semiconductor bajo la influencia de la presión o el campo magnético varía ligeramente y, por lo tanto, no merece ninguna consideración. Por otro lado, en semiconductores de brecha estrecha, esta variación de energía es considerable y, por lo tanto, la presión externa o el campo magnético pueden servir para sintonizar la resonancia de la transición entre bandas de un fonón. Tenga en cuenta que la transición entre bandas es la transición entre la banda de conducción y la banda de valencia. Este esquema considera semiconductores indirectos en lugar de semiconductores directos. El razonamiento detrás de esto proviene del hecho de que, debido a la regla de selección k en semiconductores, las transiciones entre bandas con la producción de un solo fonón pueden ser solo aquellas que producen un fonón óptico. Sin embargo, los fonones ópticos tienen una vida útil corta (se dividen en dos debido a la anarmonicidad) y, por lo tanto, agregan algunas complicaciones importantes. Aquí podemos notar que incluso en el caso de un proceso de varias etapas de creación de fonones acústicos, es posible crear SASER.

Ejemplos de semiconductores indirectos de brecha estrecha que se pueden utilizar son los calcogenuros PbTe, PbSe y PbS con una brecha de energía de 0,15 – 0,3 eV. Para el mismo esquema, el uso de una heteroestructura semiconductora (capas de diferentes semiconductores) con una brecha estrecha indirecta en el espacio de momento entre las bandas de valencia y conducción puede ser más eficaz. Esto podría ser más prometedor ya que la separación espacial de las capas proporciona una posibilidad de sintonizar la transición entre bandas en resonancia mediante un campo eléctrico externo. Una afirmación esencial aquí es que este láser de fonones propuesto puede funcionar solo si la temperatura es mucho menor que la brecha de energía en el semiconductor.

Durante el análisis de este esquema teórico se introdujeron varias suposiciones por razones de simplicidad. El método de bombeo mantiene el sistema electroneutral y se supone que las leyes de dispersión de electrones y huecos son parabólicas e isotrópicas. También se requiere que la ley de dispersión de fonones sea lineal e isotrópica. Dado que todo el sistema es electroneutral, el proceso de bombeo crea electrones y huecos con la misma tasa. Un análisis matemático conduce a una ecuación para el número promedio de pares electrón-hueco por modo de fonón por unidad de volumen. Para un límite de pérdida bajo, esta ecuación nos da una tasa de bombeo para el SASER que es bastante moderada en comparación con los láseres de fonones habituales en una transición p–n.

Se ha mencionado que un pozo cuántico es básicamente un pozo de potencial que confina las partículas para que se muevan en dos dimensiones en lugar de tres, obligándolas a ocupar una región plana. En los pozos cuánticos acoplados hay dos formas posibles de que los electrones y los huecos se unan a un excitón: excitón indirecto y excitón directo. En el excitón indirecto, los electrones y los huecos están en diferentes pozos cuánticos, en contraste con el excitón directo donde los electrones y los huecos están ubicados en el mismo pozo. En un caso donde los pozos cuánticos son idénticos, ambos niveles tienen una degeneración doble. El nivel del excitón directo es más bajo que el nivel del excitón indirecto debido a una mayor interacción de Coulomb. Además, el excitón indirecto tiene un momento dipolar eléctrico normal al pozo cuántico acoplado y, por lo tanto, un excitón indirecto en movimiento tiene un momento magnético en el plano perpendicular a su velocidad. Cualquier interacción de su dipolo eléctrico con el campo eléctrico normal, reduce uno de los subniveles del excitón indirecto y, en campos eléctricos suficientemente fuertes, el excitón indirecto en movimiento se convierte en el nivel excitónico fundamental. Teniendo en cuenta estos procedimientos, se puede seleccionar la velocidad para que haya una interacción entre el dipolo magnético y el campo magnético en el plano. Esto desplaza el mínimo de la ley de dispersión fuera de la zona de radiación. La importancia de esto radica en el hecho de que los campos eléctricos y magnéticos en el plano normales a los pozos cuánticos acoplados pueden controlar la dispersión del excitón indirecto. Se necesita un campo eléctrico normal para sintonizar la transición: excitón directo --> excitón indirecto + fonón en resonancia y su magnitud puede formar una función lineal con la magnitud del campo magnético en el plano. Observamos que el análisis matemático de este esquema considera fonones acústicos longitudinales (LA) en lugar de fonones acústicos transversales (TA). Esto apunta a estimaciones numéricas más simples. En general, la preferencia por los fonones acústicos transversales (TA) es mejor porque los fonones TA tienen menor energía y mayor vida útil que los fonones LA. Por lo tanto, su interacción con el subsistema electrónico es débil. Además, las evaluaciones cuantitativas más simples requieren un bombeo del nivel de excitón directo realizado mediante una irradiación láser.

Un análisis más profundo del esquema puede ayudarnos a establecer ecuaciones diferenciales para los modos de excitón directo, excitón indirecto y fonón. La solución de estas ecuaciones da como resultado que los modos de excitón indirecto y fonón por separado no tienen una fase definida y solo está definida la suma de sus fases. El objetivo aquí es verificar si el funcionamiento de este esquema con una tasa de bombeo bastante moderada puede sostenerse frente al hecho de que los excitones en pozos cuánticos acoplados tienen baja dimensionalidad en comparación con los fonones. Por lo tanto, se consideran los fonones no confinados en el pozo cuántico acoplado. Un ejemplo son los fonones ópticos longitudinales (LO) que están en la heteroestructura AlGaAs/GaAs y, por lo tanto, los fonones presentados en este sistema propuesto son tridimensionales. Las diferencias en las dimensionalidades de los fonones y excitones hacen que el nivel superior se transforme en muchos estados del campo de fonones. Al aplicar esta información a ecuaciones específicas, podemos llegar a un resultado deseado. No hay ningún requisito adicional para el bombeo láser a pesar de la diferencia en las dimensionalidades de los fonones y excitones.

La acción del láser de fonones se ha observado en una amplia gama de sistemas físicos (por ejemplo, semiconductores). Una publicación de 2012 del Departamento de Física Aplicada del Instituto Tecnológico de California (Caltech) presenta una demostración de un sistema de microcavidades compuesto, acoplado a un modo mecánico de radiofrecuencia, que funciona de forma muy similar a un sistema láser de dos niveles.

Este sistema compuesto de microcavidades también puede denominarse "molécula fotónica". Los orbitales hibridados de un sistema eléctrico son reemplazados por supermodos ópticos de esta molécula fotónica, mientras que las transiciones entre sus niveles de energía correspondientes son inducidas por un campo de fonones. En las condiciones típicas de los microresonadores ópticos, la molécula fotónica se comporta como un sistema láser de dos niveles. Sin embargo, existe una extraña inversión entre los roles del medio activo y los modos de cavidad (campo láser). El medio se vuelve puramente óptico y el campo láser lo proporciona el material como un modo de fonón.

Una inversión produce ganancia, lo que provoca la acción del láser de fonón por encima de un umbral de potencia de bombeo de alrededor de 7 μW. El dispositivo propuesto se caracteriza por un espectro de ganancia continuamente ajustable que amplifica selectivamente los modos mecánicos desde frecuencias de radio hasta frecuencias de microondas. Visto como un proceso de Brillouin, el sistema accede a un régimen en el que el fonón desempeña el papel de onda de Stokes. La onda de Stokes se refiere a una onda superficial periódica y no lineal en una capa de fluido no viscoso (fluido ideal que se supone que no tiene viscosidad) de profundidad media constante. Por esta razón, también debería ser posible cambiar de forma controlada entre regímenes de fonón y láser de fonón.

Los sistemas de microcavidades ópticas compuestas proporcionan controles espectrales beneficiosos. Estos controles afectan tanto a la acción del láser de fonones como al enfriamiento y definen algunos niveles ópticos finamente espaciados cuyas energías de transición son proporcionales a las energías de los fonones. Estos espaciamientos de niveles se pueden ajustar continuamente mediante un ajuste significativo del acoplamiento óptico. Por lo tanto, la amplificación y el enfriamiento ocurren alrededor de un centro de línea ajustable, en contraste con algunos fenómenos optomecánicos de cavidad. La creación de estos niveles finamente espaciados no requiere aumentar las dimensiones de la microcavidad óptica. Por lo tanto, estos niveles finamente espaciados no afectan la fuerza de interacción optomecánica en un grado significativo. El enfoque utiliza acoplamiento intermodal, inducido por presión de radiación y también puede proporcionar un medio espectralmente selectivo para detectar fonones. Además, se observan algunas evidencias de enfriamiento intermodal en este tipo de experimentos y, por lo tanto, existe un interés en el enfriamiento optomecánico. En general, es posible una extensión a sistemas multinivel que utilicen múltiples resonadores acoplados.

En un sistema de dos niveles, las partículas tienen solo dos niveles de energía disponibles, separados por alguna diferencia de energía: ΔΕ = E₂ − E₁ = hv, donde ν es la frecuencia de la onda electromagnética asociada del fotón emitido y h es la constante de Planck. Observe también: E₂ > E₁. Estos dos niveles son los estados excitado (superior) y fundamental (inferior). Cuando una partícula en el estado superior interactúa con un fotón que coincide con la separación de energía de los niveles, la partícula puede desintegrarse, emitiendo otro fotón con la misma fase y frecuencia que el fotón incidente. Por lo tanto, al bombear energía al sistema podemos tener una emisión estimulada de radiación, lo que significa que la bomba obliga al sistema a liberar una gran cantidad de energía en un momento específico. Una característica fundamental de la emisión láser, como la inversión de población, no es posible en un sistema de dos niveles y, por lo tanto, un láser de dos niveles no es posible. En un átomo de dos niveles, la bomba es, en cierto modo, el láser en sí.

En 2009 se logró amplificar el sonido coherente de terahercios en una superred de escalera Wannier-Stark, según un artículo publicado por la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Nottingham. El efecto Wannier-Stark existe en las superredes. Los estados electrónicos en los pozos cuánticos responden de forma sensible a campos eléctricos moderados, ya sea por el efecto Stark confinado cuánticamente en el caso de barreras anchas o por la localización Wannier-Stark en el caso de una superred. Ambos efectos conducen a grandes cambios de las propiedades ópticas cerca del borde de absorción, que son útiles para la modulación de intensidad y la conmutación óptica. Es decir, desde un punto de vista matemático, si se aplica un campo eléctrico a una superred, el hamiltoniano relevante exhibe un potencial escalar adicional. Si existe un estado propio, entonces los estados correspondientes a las funciones de onda también son estados propios del hamiltoniano. Estos estados están espaciados de manera uniforme tanto en energía como en el espacio real y forman la llamada escalera Wannier-Stark.

En el esquema propuesto, la aplicación de una polarización eléctrica a una superred de semiconductores aumenta la amplitud de los fonones plegados coherentes generados por un pulso óptico. Este aumento de la amplitud se observa para aquellas polarizaciones en las que la caída de energía por período de la superred es mayor que la energía del fonón. Si la superred está polarizada de manera que la caída de energía por período de la superred excede el ancho de las minibandas electrónicas (régimen de Wannier-Stark), los electrones se localizan en los pozos cuánticos y el transporte vertical de electrones tiene lugar mediante saltos entre pozos cuánticos vecinos, que pueden estar asistidos por fonones. Como se ha demostrado anteriormente, en estas condiciones la emisión estimulada de fonones puede convertirse en el proceso de salto asistido por fonones dominante para fonones de un valor de energía cercano a la división de Stark. Por lo tanto, la amplificación coherente de fonones es teóricamente posible en este tipo de sistema. Junto con el aumento de amplitud, el espectro de las oscilaciones inducidas por polarización es más estrecho que el espectro de los fonones coherentes con polarización cero. Esto demuestra que la amplificación coherente de los fonones debido a la emisión estimulada tiene lugar en la estructura bajo bombeo eléctrico.

Se aplica un voltaje de polarización a una superred de GaAs/AlAs dopada con n débilmente acoplada y se aumenta la amplitud de las oscilaciones coherentes de hipersonido generadas por un pulso óptico de femtosegundo. Se obtiene evidencia de amplificación de hipersonido por emisión estimulada de fonones, en un sistema donde existe la inversión de las poblaciones de electrones para transiciones asistidas por fonones. Esta evidencia es proporcionada por el aumento de amplitud inducido por polarización y el estrechamiento espectral del observador experimental del modo de fonón de la superred con una frecuencia de 441 GHz.

El objetivo principal de este tipo de experimentos es poner de relieve la probabilidad de realización de una amplificación coherente del sonido en THz. Las transiciones inducidas por fonones estimuladas en THz entre los estados de la superred electrónica conducen a esta amplificación coherente mientras se procesa una inversión de población.

Este logro de la amplificación del sonido THz ha proporcionado un paso esencial hacia la generación coherente ("sasing") de sonido THz y otros dispositivos de hipersonido activos. En general, en un dispositivo en el que se alcanza el umbral para el "sasing", la técnica descrita en este esquema propuesto podría utilizarse para medir el tiempo de coherencia del hipersonido emitido.

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• B.A. Glavin, V.A. Kochelap, T.L. Linnik, P. Walker, A.J. Kentand M. Henini, Monochromatic terahertz phonon emission from piezoelectric superlattices, Jour. Fis. Cs 92 (2007).
• K. Vahala, M. Herrmann, S. Knunz, V. Batteiger, G. Saathoff, T. W. Hansch y Th. Udem, A phonon Laser
• Phil Schewe; Ben Stein. "Un nuevo tipo de láser acústico". Actualización de noticias de física. Instituto Americano de Física (AIP). Archivado desde el original el 25 de junio de 2006. Retrieved 29 de septiembre, 2006.