Il laser, l'emissione di un raggio di luce collimato con una lunghezza d'onda (colore) e una fase ben definite, è il risultato di un processo di auto-organizzazione, in cui un insieme di centri di emissione si sincronizza per produrre particelle luminose identiche (fotoni). Un simile fenomeno di sincronizzazione auto-organizzata può anche portare alla generazione di vibrazioni coerenti:un laser a fononi, dove fonone denota, in analogia ai fotoni, le particelle quantistiche del suono.

Il laser a fotoni è stato dimostrato per la prima volta circa 60 anni fa e, coincidentalmente, 60 anni dopo la sua previsione di Albert Einstein. Questa emissione stimolata di luce amplificata ha trovato un numero senza precedenti di applicazioni scientifiche e tecnologiche in molteplici aree.

Sebbene il concetto di "laser del suono" fosse stato predetto quasi contemporaneamente, sono state finora segnalate solo poche implementazioni e nessuna ha raggiunto la maturità tecnologica. Ora, una collaborazione tra ricercatori dell'Instituto Balseiro e del Centro Atómico di Bariloche (Argentina) e del Paul-Drude-Institut di Berlino ha introdotto un nuovo approccio per la generazione efficiente di vibrazioni coerenti nella gamma delle decine di GHz utilizzando strutture a semiconduttore. interessante, questo approccio alla generazione di fononi coerenti si basa su un'altra delle previsioni di Einstein:quella del 5° stato della materia, un condensato di Bose-Einstein (BEC) di particelle luce-materia accoppiate (polaritoni).

Il polaritone BEC viene creato in una trappola microstrutturata di una microcavità a semiconduttore costituita da centri elettronici inseriti tra riflettori di Bragg distribuiti (DBR) progettati per riflettere la luce della stessa energia ℏωC emessa dai centri (cfr. Fig. 1a). Quando eccitato otticamente da un raggio di luce con un'energia diversa ℏωL, per cui il DBR è trasparente, gli stati elettronici dei centri emettono particelle luminose (fotoni) all'energia ℏωC, che sono riflessi nei DBR. I fotoni vengono quindi nuovamente riassorbiti dai centri. La sequenza rapida e ripetitiva degli eventi di emissione e riassorbimento rende impossibile distinguere se l'energia è immagazzinata in uno stato elettronico o fotonico. Si dice piuttosto che la mescolanza tra gli stati crea un nuovo, particella di materia leggera, chiamato polaritone. Per di più, sotto un'alta densità di particelle (e aiutata dalla localizzazione spaziale indotta dalla trappola), i polaritoni entrano in uno stato auto-organizzato simile ai fotoni in un laser, dove tutte le particelle si sincronizzano per emettere luce con la stessa energia e fase:un laser BEC a polaritone. La firma caratteristica del polaritone BEC è una linea spettrale molto stretta illustrata dalla curva blu in Fig. 1b, che può essere rilevato misurando la radiazione evanescente che fuoriesce dalla microcavità.

Un'ulteriore proprietà interessante degli specchi a microcavità (DBR) utilizzati è la capacità di riflettere non solo le vibrazioni ottiche (luce) ma anche le vibrazioni meccaniche (suono) entro uno specifico intervallo di lunghezze d'onda. Come conseguenza, una tipica microcavità AlGaAs per fotoni nel vicino infrarosso confina anche quanti di vibrazioni - fononi - con l'energia a corrispondente alla frequenza di oscillazione ωa/2p di circa 20 GHz. Poiché la riflessione dei fotoni da parte dei DBR fornisce il feedback richiesto per la formazione di un polaritone BEC, la riflessione fononica porta ad un accumulo della popolazione fononica e ad un miglioramento dell'interazione fononica con il polaritone BEC.

Come avviene l'interazione tra polaritoni e fononi? Come aria in un pneumatico, un'alta densità di polaritoni condensati esercita una pressione sugli specchi della microcavità, che possono innescare e sostenere oscillazioni meccaniche alla frequenza dei fononi confinati. Queste oscillazioni respiratorie modificano le dimensioni della microcavità, agendo così indietro sul polaritone BEC. È questa interazione optomeccanica accoppiata che dà origine all'emissione coerente del suono al di sopra di una densità critica di polaritoni. Un'impronta digitale di questa emissione coerente di fononi è l'autopulsazione dell'emissione BEC sotto eccitazione continua da parte di un laser con l'energia ℏωL. Questo autopulsamento è identificato dall'emergere di forti bande laterali attorno all'emissione del polaritone BEC spostate dai multipli dell'energia fononica ℏωa (cfr. la curva rossa in Fig. 1b).

L'analisi dell'ampiezza delle bande laterali in Fig. 1b mostra che centinaia di migliaia di fononi monocromatici popolano lo stato vibrazionale risultante e vengono emessi verso il substrato come un raggio laser fononico coerente a 20 GHz. Una caratteristica essenziale del progetto è la stimolazione dei fononi da parte di un emettitore di luce interno molto intenso e monocromatico - il polaritone BEC - che può essere eccitato non solo otticamente ma anche elettricamente, come in un laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL). Per di più, frequenze fononiche più elevate possono essere ottenute mediante opportune modifiche del design della microcavità. Le potenziali applicazioni del laser fononico includono il controllo coerente dei fasci di luce, emettitori quantistici, e porte nei dispositivi di comunicazione e informazione quantistica, così come la conversione bidirezionale da luce a microonde in un intervallo di frequenza molto ampio da 20 a 300 GHz, rilevante per le future tecnologie di rete.