Magie mit Licht und Schall

  • 16. January 2013

In einem Resonator werden gleichzeitig eingeschlossene Photonen und Phononen stark gekoppelt.

Licht und Schall gehen in optomechanischen Mikroresonatoren überraschende Verbindungen ein. So lassen sich mit Licht die mechanischen Schwingungen eines Resonators kühlen, während diese wiederum zwei Lichtwellen miteinander koppeln können. Jetzt hat ein argentinisch-französisches Forscherteam einen neuartigen optomechanischen Resonator vorgestellt, der sowohl für Photonen als auch für Phononen eine sehr hohe Güte besitzt. Aus ihm lässt sich vielleicht ein Phononen-Laser herstellen.

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Abb.: Die Schichtstapel an den Enden des Resonators wirken wie Bragg-Spiegel – sowohl für Lichtwellen (rot) als auch für Schallwellen (blau; Bild: A. Fainstein et al., APS)

Der Resonator, den Alejandro Fainstein vom Centro Atómico Bariloche und seine Kollegen entwickelt haben, ist wie ein Oberflächenemitter oder VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) aufgebaut. Er besteht aus zwei senkrechten Halbleiter-Schichtstapeln, die durch eine dünne Zwischenschicht aus GaAs voneinander getrennt sind. In den Schichtstapeln wechseln sich Schichten aus AlGaAs und AlAs ab, die sich in ihrem Brechungsindex stark voneinander unterscheiden. Für bestimmte Wellenlängen überlagerten sich die an den Schichten reflektierten Lichtwellen konstruktiv, sodass die Schichtstapel wie Bragg-Spiegel wirkten.

Doch diese Spiegel konnten noch mehr. Die optischen und mechanischen Eigenschaften der beiden Materialien in den Schichtstapeln zeigten Übereinstimmungen, die die Forscher als doppelt-magische Koinzidenz bezeichnen. Zum einen standen die materialabhängigen Lichtgeschwindigkeiten im selben Verhältnis wie die Schallgeschwindigkeiten. Zum anderen hatten der optische und der akustischen Impedanzkontrast der beiden Materialien nahezu identische Werte. Dies führte dazu, dass die beiden Schichtstapel gleichzeitig für Licht- und für Schallwellen um 870 nm Wellenlänge Bragg-Spiegel waren. Der Resonator konnte deshalb mit einer hohen Güte von etwa 1000 sowohl IR-Photonen als auch 20-GHz-Phononen einschließen.

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Abb.: Die gemessenen phononischen Anregungen bei 20 GHz (a) und 60 GHz (b) stimmen mit den berechneten (c und d) in ihrer Intensität und ihrem zeitlichen Verlauf gut überein. (Bild: A. Fainstein et al., APS)

Wurde in den Resonator gepulstes Laserlicht von etwa 870 nm Wellenlänge und 1 ps Pulsdauer eingestrahlt, so regten die an den Schichtstapeln reflektierten Photonen den Resonator zu mechanischen Schwingungen mit derselben Wellenlänge an. Diese Schwingungen wiederum veränderten die optischen Eigenschaften des Resonators periodisch, sodass das aus dem Resonator kommende Lichtsignal periodisch moduliert war. Die Forscher beobachteten neben der Grundfrequenz von 20 GHz auch noch Schwingungen bei 60 GHz und 100 GHz. Sie rührten von akustischen Moden her, die ebenfalls durch das Licht angeregt worden waren und im Resonator festgehalten wurden.

Die optomechanische Kopplung zwischen den Photonen und den Phononen im Resonator erreichte etwa 80 GHz/nm und war damit ungewöhnlich stark. Angesichts der hohen Güte des Resonators stellt sich deshalb die Frage, ob man mit ihm stimulierte Emission von Phononen hervorrufen kann. Dabei würden in diesem mit Licht gepumpten „Phononen-Laser“ die Photonen umso mehr Phononen einer bestimmten Wellenlänge erzeugen, je mehr von diesen Phononen schon vorhanden sind. Wie die Berechnungen der Forscher zeigen, könnte ein Resonator in Form einer mikrometerdicken Säule mit einer schwingenden Masse von ca. 8 pg und einer Güte von 10.000 tatsächlich stimuliert Phononen erzeugen.

Rainer Scharf

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