自锁光源的新研究为量子技术提供了机会

在今天发表在《自然通讯》上的一篇论文中，来自德国柏林保罗德鲁德研究所和阿根廷巴里洛切巴尔塞罗研究所的研究人员证明，具有不同共振频率的光发射器可以通过交换机械能异步自锁它们的相对能量。这一发现为加强光源控制和与量子技术相关的GHz到THz相互转换铺平了道路。

谐振频率略有不同的振荡器在开始相互作用时往往会将其频率锁定在一个共同值。这种现象最初是在17世纪由克里斯蒂安·惠更斯(ChristiaanHuygens)在一个由两个摆锤共享相同支撑的系统中观察到的。惠更斯首先注意到很难制造出具有相同振荡频率的两个摆——这是制造精密时钟的必要条件。然而，如果他把它们挂在一个共同的支架上，时钟就会慢慢同步它们的运动，并在一段时间后以相同的频率振荡。

上述同步过程是振荡系统的一般属性，称为锁模或夹带。它出现在范围广泛的振荡器中，从GPS所需的非常精确的时间同步到调节其日常节律的人类生物钟的同步。

同步背后的机制绝非微不足道。要理解它，我们必须首先考虑存储在钟摆中的能量大小取决于它的运动频率和幅度。此外，摆可以在窄带内以频率振荡，其宽度取决于摆失去能量的速率(即摆停止的速度)。

两个惠更斯摆之间的频率锁定依赖于通过支撑摆的杆进行的能量交换。这个过程要求两个摆的窄频带重叠，并且能量传输速率比它们振荡的衰减时间快得多。如果满足这些条件，能量将在钟摆之间来回传递，直到它们的振动锁定在单一频率。在锁定状态下，它们之间的净能量交换消失了。

在惠更斯的实验中，摆的频率几乎相等。PaulDrudeInstitute和InstitutoBalseiro的一项新研究着手展示如何同步具有非常不同的共振频率的摆的运动，即它们的共振频率之间的差异Δω远大于每个摆的频带。

如图1上半部分所示，如果摆具有不同的长度并因此具有不同的共振频率，就会出现这种情况。这个过程——频率的异步锁定——与多种应用相关，包括使用锁相环的精确频率锁定(PLL)在电子电路中以及产生具有明确频率差的无线电波或光束。

在他们的出版物中，Chafatinos及其同事展示了一个集成的异步锁定类激光发射器阵列，这些发射器的辐射频率相差明确定义的量/量ωₘ的倍数。(参见图1，下面板)。类似激光的光由插入混合半导体光机械谐振器中的μm大小的发射器阵列产生，其机械谐振频率ωₘ约为20GHz。发射器由外部连续波激光束激发。

研究人员表明，发射器可以在激光激发下自我调整各自的能量，直到它们满足异步锁定的条件。此时，发射器之间的相对能量分离通过机械能的量子交换自动锁定到ωₘ的倍数。然后整个阵列开始以机械频率ωₘ自振荡。

耦合摆中的异步锁定可以通过将它们耦合到频率ωₘ接近Δω的倍数(即Δω=nωₘ，其中n是整数)的机械谐振器来实现。图1上图中的弹簧杆系统说明了这种机械谐振器。通过机械振荡器进行的能量交换提供了锁定所需的频率偏移。事实上，可以证明当考虑到这个频率偏移时，异步锁定的要求与常规锁定的要求相同。

图下面板中的光发射器阵列发生类似的过程。在这里，光机相互作用激发振动，同时引起异步锁定所需的能量偏移。有趣的是，最近在一个完全不同的背景下报道了一种非常相似的异步锁定行为：来自美洲的一种鸟类Pitangussulphuratus设法锁定了它两个声带之间的频率差异。

Chafatinos及其同事的工作展示了光机械材料的新概念，该概念基于与受限GHz振动强烈相互作用的μm大小的中心阵列。这些结果为光源的超快GHz相干机械控制和与量子技术相关的州际跃迁铺平了道路。