重大突破！我國科學家研究出室溫下高功率相幹微波發射技術

構建量子計算和通信係統的挑戰之一是缺乏能夠產(chan) 生足夠功率但不需要極端冷卻的類激光微波源。

然而，一個(ge) 研究小組在一項研究中已經證明了一種新的室溫技術，可以製造來自激光的相幹微波輻射。該設備利用磁性材料與(yu) 電磁場的相互作用。研究人員預計，這項工作將產(chan) 生微波源，這些微波源可以內(nei) 置在未來量子器件中使用的芯片中。

為(wei) 量子計算機存儲(chu) 量子位的設備通常需要微波信號來輸入和檢索數據，因此在微波頻率下運行的激光器（微波激射器）和其他相幹微波源可能非常有用。但是，盡管脈澤器是在激光之前發明的，但大多數脈澤器技術隻能在超低溫下工作。2018年的設計可在室溫下工作，但不會(hui) 產(chan) 生太多功率。

中國科學院上海技術物理研究所的胡春明受到一種名為(wei) 極化激子激光器的新型激光器的卓越性能的啟發，考慮將該技術擴展到微波領域。這些設備利用光與(yu) 激子的相互作用，激子是短壽命的電子空穴對。這種相互作用發生在光腔內(nei) ，光波在該空間來回反射多次。該技術“改變了光學激光技術，我很好奇使用磁激發的類似方法是否可以幫助我們(men) 生產(chan) 更好的微波源，”研究人員說。

經過七年的基礎研究，他和他的同事們(men) 相信他們(men) 已經成功了。他們(men) 的方案使微波腔中的光子與(yu) 磁性材料中的電子自旋相互作用。在磁場存在的情況下，這些自旋和光子一起產(chan) 生稱為(wei) 磁振子極化激元的混合激發，進而產(chan) 生相幹微波。該技術使用不同於(yu) 脈澤的概念來產(chan) 生這種相幹輻射。研究人員工作的一個(ge) 重點是了解他們(men) 如何放大腔內(nei) 的輻射，從(cong) 而產(chan) 生大量微波能量，同時仍然對頻率和其他特性進行精確控製。

為(wei) 了證明這種效果，研究人員使用了一種標準類型的微波腔，一種1.2毫米寬的複合玻璃材料帶，將強場限製在其表麵上方的區域。他們(men) 在這個(ge) 表麵上放置了一個(ge) 直徑1毫米的釔鐵石榴石球體(ti) ，這是一種磁性材料，並開啟了靜態磁場。球體(ti) 中電子自旋的排列然後圍繞磁場方向旋轉。連接到條帶上的晶體(ti) 管提供了微波場的放大，但這些場也以研究人員精心安排的方式耗散能量。空腔中球體(ti) 的存在引發了自旋和光子之間的相互作用，產(chan) 生了磁振子極化子，研究人員能夠通過測量它們(men) 引導到該區域的各種頻率的微波的吸收來驗證這一點。結果顯示出明顯的吸收特征，表明腔和磁振子的獨立振蕩模式結合在一起產(chan) 生了極化激元。

然後，他們(men) 證明了這些極化子可以產(chan) 生峰值頻率為(wei) 3.6 GHz、線寬僅(jin) 為(wei) 360 Hz的相幹微波輻射。研究人員說，這種清晰的頻率定義(yi) 對於(yu) 磁性係統來說是非凡的，其線寬比基於(yu) 磁性技術的最佳替代微波源的線寬小1000倍。此外，磁振子-極化子器件的輸出功率是2018年室溫脈澤的10億(yi) 倍。研究人員還證明了將輸入微波信號放大10000倍的能力，同時保持信號質量。研究人員說，這種放大功能的可能性“超出了我們(men) 的想象”。

麻省理工學院納米級磁係統專(zhuan) 家劉路橋說：“我對這裏報道的美妙結果感到興(xing) 奮。磁振子極化子的使用開辟了許多新的可能性，令人驚訝的是，與(yu) 許多現有的替代技術相比，它在產(chan) 生微波方麵取得了卓越的性能。”

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