[論文レビュー] Superslow Self-Organized Motions in a Multimode Microwave Phonon Laser (Phaser) under Resonant Destabilization of Stationary Acoustic Stimulated Emission

D. N. Makovetskii|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2004

Quantum optics and atomic interactions参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、1.8 Kで超低周波数（可次音）のポンプ変調下における、マルチモードマイクロ波フォノンレーザー（フォノンレーザー）における、初の実験的観測である、超遅い自己組織的運動を報告している。これは、1.8 Kで、数時間にわたる周期を示す自己再構成を示す、新たな非線形共鳴—λ共鳴—を明らかにした。この現象は、周期的ポンプ駆動による音響誘発放射モード間の反位相エネルギー交換に起因し、特に偏極した27Al核スピン系が重要な役割を果たしている。

ABSTRACT

Two qualitatively different kinds of resonant destabilization of phonon stimulated emission (SE) are experimentally revealed for periodically forced multimode ruby phaser (phonon laser) operating at SE frequencies about 9 GHz, i.e. at microwave acoustic wavelengths of 1 micron. The inversion state of Cromium(3+) spin-system in ruby was created by electromagnetic pump at 23 GHz. Under deep modulation of pump power at low frequencies OMEGA_m = 70-200 Hz deterministic chaotic reconfigurations of the acoustic microwave power spectra (AMPS) were observed. This range of SE destabilization corresponds to the relaxational resonance that is well known for optical class-B lasers. Outside the relaxational resonance range, namely at ultra-low (infrasonic) frequencies OMEGA_m about 10 Hz, the other type of resonant destabilization of stationary phonon SE was observed by us for the first time. This new nonlinear resonance (we call it lambda-resonance) manifests itself as very slow and periodically repeated self-reconfigurations of AMPS. Near the vertex of lambda-resonance the period of AMPS self-reconfigurations takes giant values of several hours (at T=1.8 K). The second type of SE resonant destabilization is explained in terms of antiphase energy exchange between acoustic SE modes in a modulated phaser. The role of polarized nuclear spin-reservoir (formed by Aluminium-27 nuclei of the ruby crystalline matrix) in these superslow self-organized motions is discussed. PACS: 05.65.+b, 42.65.Sf, 43.35.+d

研究の動機と目的

• 周期的ポンプ変調下におけるマルチモードルビー・フォノンレーザーでの定常音響誘発放射（SE）の共鳴的不安定化を調査すること。
• 従来の緩和共鳴を超える、新たな非線形共鳴の同定と特徴付け。
• 核スピン系（27Al）が、決定論的フォノンレーザー系における超遅い自己組織的ダイナミクスを可能にする役割を調査すること。
• 可次音駆動下における、音響マイクロ波パワースペクトル（AMPS）における巨大時間スケールの自己再構成の発生を説明すること。

提案手法

• 実験は、1.8 Kで動作するルビー・フォノンレーザー（Cr3+ : Al2O3）を用い、約9 GHzのマイクロ波音響周波数と、ファブリ・ペロー音響共振器（FPAR）を用いた。
• 23 GHzの電磁的ポンプがCr3+イオンに励起状態を生成し、低周波数（70–200 Hzおよび約10 Hz）の変調を加えることで、共鳴的不安定化を誘発した。
• 変調周波数を変化させながら、音響マイクロ波パワースペクトル（AMPS）をモニタリングし、自己再構成および共鳴行動を検出した。
• 理論的分析には、5次元ベクトル的秩序パラメータモデル（B̲ = (J1, J2, D0, D1, D2)）を用い、τ1 ≫ τC ≫ τ2 を満たす2モード誘発放射の非線形ダイナミクスを記述した。
• モデルには、モード強度（Jn）、励起度（Dj）、増幅率（μn）の線形および非線形項を組み込み、τ1 dB̲/dt = Ψ̲(L)(B̲) + Ψ̲(NL)(B̲) で記述されるダイナミクスを導入した。
• 共鳴周波数は、複素リャプノフ指数から導出され、緩和共鳴のためのωRと、新規のλ共鳴のためのωλ = |Im(Λ3,4)| が得られ、ωλ ≪ ωR であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超低周波数ポンプ変調下におけるマルチモードマイクロ波フォノンレーザーで、どのような共鳴的不安定化が生じるか？
• RQ2 超低周波数（可次音）駆動は、従来のレーザーで観測されない新たな非線形共鳴を誘発できるか？
• RQ3 10 Hz前後の変調周波数で、なぜ音響マイクロ波パワースペクトル（AMPS）に超遅い自己再構成が現れるのか？
• RQ4 音響SEモード間の反位相エネルギー交換は、観測されたダイナミクスにどのように寄与しているか？
• RQ5 偏極した27Al核スピン系は、これらの超遅い自己組織的運動を可能にする上で、どのような役割を果たしているか？

主な発見

• 2つの異なる共鳴的不安定化領域が観測された：70–200 Hzで発生する高速なSEモードの混沌とした交互変化（緩和共鳴）と、約10 Hzで発生する超遅い自己再構成（λ共鳴）。
• λ共鳴の頂点において、AMPSの自己再構成周期は最大数時間に達し、極めて長い時間スケールのダイナミクスを示した。
• λ共鳴周波数ωλは、3番目および4番目のリャプノフ指数の虚部、|Im(Λ3,4)| から導出され、緩和共鳴周波数ωRよりもはるかに小さかった。
• この現象は、周期的変調されたフォノンレーザーにおける音響SEモード間の反位相エネルギー交換に起因し、27Al核スピン系が超遅いダイナミクスの安定化に重要な役割を果たした。
• SE周波数（Ω ≈ 3–10 GHz）が低いことから、フォノンレーザーにおける相対的自発放射強度は、光学レーザーと比べて約15桁低いことから、システムは実質的に決定論的とみなせる。
• このシステムは自己波動運動に類似した振る舞いを示し、AMPSにおける大規模な層状の自己再構成を示しており、複雑な位相空間トポロジーを示唆している。