当光与物质强烈相互作用时，它可以产生独特的准粒子，称为极化子，这些粒子一半是光，一半是物质。近几十年来，物理学家探索了极化子在光学腔中的实现及其对高性能激光器或其他技术开发的价值。

曼尼托巴大学的研究人员最近开发了一种基于腔磁振子极化子的高性能设备，可以发射和放大微波。该器件在《物理评论快报》中介绍，被发现在室温下显着优于先前提出的相干微波发射和放大的固态器件。

“1992年，在日本工作的法国半导体物理学家克劳德·韦斯布什(Claude Weisbush)通过将光限制在量子微腔中与半导体相互作用来发现空腔激子极化子，”指导这项研究的研究员Can-Ming Hu告诉 Phys.org。

“这导致了具有卓越性能的极化子激光器的发明，这些激光器改变了固态激光技术。二十年后，磁学界通过将微波限制在空腔中与磁性材料相互作用，重新发现了空腔磁振子极化子，这种半光子和半磁振子准粒子最早由Joe Artman和Peter Tannenwald于1955年在麻省理工学院发现，直到最近才被注意到。

无线通信和量子信息技术需要相干的片上微波源。在这种需求的激励下，胡和他的同事们着手探索腔磁振子极化子实现高质量微波发射和放大的潜在用途。

“对腔磁振子极化子和腔激子极化子之间的相似性很感兴趣，我开始好奇腔磁振子极化子是否可以帮助我们制造更好的固态微波源，”胡说。“因此，在2015年，我的小组启动了一项研究，以探索腔体磁振子极化子的微波发射。

研究人员最初着手创建一个基于腔磁振子极化子的光物质耦合系统，用于相干微波发射。他们最终希望实现比以前工作中报告的性能更高的性能，同时保持其设备作为混合光物质耦合系统的稳定性和可控性。

“首先，我们遵循荷兰物理学家van der Pol在1920年提出的原理：使用非线性阻尼来平衡放大振荡系统中的增益，可以设计和优化稳定的增益驱动腔，”在曼尼托巴大学进行这项研究的中国科学院副教授Bimu Yao告诉 Phys.org。然后，我们将磁性材料放入这样一个增益驱动的微波腔中，让放大的微波与磁振子强烈相互作用。

研究人员系统中放大的微波和磁振子之间的强相互作用产生了一种新型的极化子，他们称之为“增益驱动”极化子。与先前研究中实现的传统极化子相比，这种增益驱动的极化子具有稳定的相位，这反过来又使微波光子的相干发射成为可能。

“几十年来，磁学界一直在研究自旋振荡器(STO)，这是一种利用磁振子产生相干微波的固态器件，”曼尼托巴大学研究助理Yongsheng Gui告诉 Phys.org。“主要障碍是STO的发射功率通常限制在1 nW以下。我们设备的输出功率要高出一百万倍，排放质量因数要高出一千倍。

在初步评估中，这组研究人员创建的原理验证设备取得了显着的结果，优于过去开发的STO和固态激射器。激射器是利用原子的受激辐射来放大或产生微波辐射的装置。

“在磁学界之外，也有各种各样的人努力开发脉泽，”Gui说。“与最好的固态激射器相比，我们设备的输出功率要高出十亿倍，排放质量系数相当。

胡和他的同事们实现的新的增益驱动极化子可以为开发可集成在片上的高性能固态微波源开辟令人兴奋的新可能性。除了紧凑的尺寸外，这些极化子微波源由于光物质相互作用的出色可控性而可调节频率。它们最终可以集成到广泛的技术和设备中，包括无线通信系统和量子计算机。

“由于增益驱动的光物质相互作用的物理学是新的，我们的研究也可能带来微波应用以外的新发现，”胡补充说。“我们现在已经提交了专利申请，我的学生正在与行业合作伙伴一起开发原型设备。