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構(gòu)建量子計(jì)算和通信系統(tǒng)的挑戰(zhàn)之一是缺乏能夠產(chǎn)生足夠功率但不需要極端冷卻的類(lèi)激光微波源。

然而，一個(gè)研究小組在一項(xiàng)研究中已經(jīng)證明了一種新的室溫技術(shù)，可以制造來(lái)自激光的相干微波輻射。該設(shè)備利用磁性材料與電磁場(chǎng)的相互作用。研究人員預(yù)計(jì)，這項(xiàng)工作將產(chǎn)生微波源，這些微波源可以?xún)?nèi)置在未來(lái)量子器件中使用的芯片中。

為量子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量子位的設(shè)備通常需要微波信號(hào)來(lái)輸入和檢索數(shù)據(jù)，因此在微波頻率下運(yùn)行的激光器（微波激射器）和其他相干微波源可能非常有用。但是，盡管脈澤器是在激光之前發(fā)明的，但大多數(shù)脈澤器技術(shù)只能在超低溫下工作。2018年的設(shè)計(jì)可在室溫下工作，但不會(huì)產(chǎn)生太多功率。

中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的胡春明受到一種名為極化激子激光器的新型激光器的卓越性能的啟發(fā)，考慮將該技術(shù)擴(kuò)展到微波領(lǐng)域。這些設(shè)備利用光與激子的相互作用，激子是短壽命的電子空穴對(duì)。這種相互作用發(fā)生在光腔內(nèi)，光波在該空間來(lái)回反射多次。該技術(shù)“改變了光學(xué)激光技術(shù)，我很好奇使用磁激發(fā)的類(lèi)似方法是否可以幫助我們生產(chǎn)更好的微波源，”研究人員說(shuō)。

經(jīng)過(guò)七年的基礎(chǔ)研究，他和他的同事們相信他們已經(jīng)成功了。他們的方案使微波腔中的光子與磁性材料中的電子自旋相互作用。在磁場(chǎng)存在的情況下，這些自旋和光子一起產(chǎn)生稱(chēng)為磁振子極化激元的混合激發(fā)，進(jìn)而產(chǎn)生相干微波。該技術(shù)使用不同于脈澤的概念來(lái)產(chǎn)生這種相干輻射。研究人員工作的一個(gè)重點(diǎn)是了解他們?nèi)绾畏糯笄粌?nèi)的輻射，從而產(chǎn)生大量微波能量，同時(shí)仍然對(duì)頻率和其他特性進(jìn)行精確控制。

為了證明這種效果，研究人員使用了一種標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型的微波腔，一種1.2毫米寬的復(fù)合玻璃材料帶，將強(qiáng)場(chǎng)限制在其表面上方的區(qū)域。他們?cè)谶@個(gè)表面上放置了一個(gè)直徑1毫米的釔鐵石榴石球體，這是一種磁性材料，并開(kāi)啟了靜態(tài)磁場(chǎng)。球體中電子自旋的排列然后圍繞磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)。連接到條帶上的晶體管提供了微波場(chǎng)的放大，但這些場(chǎng)也以研究人員精心安排的方式耗散能量。空腔中球體的存在引發(fā)了自旋和光子之間的相互作用，產(chǎn)生了磁振子極化子，研究人員能夠通過(guò)測(cè)量它們引導(dǎo)到該區(qū)域的各種頻率的微波的吸收來(lái)驗(yàn)證這一點(diǎn)。結(jié)果顯示出明顯的吸收特征，表明腔和磁振子的獨(dú)立振蕩模式結(jié)合在一起產(chǎn)生了極化激元。

然后，他們證明了這些極化子可以產(chǎn)生峰值頻率為3.6 GHz、線寬僅為360 Hz的相干微波輻射。研究人員說(shuō)，這種清晰的頻率定義對(duì)于磁性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非凡的，其線寬比基于磁性技術(shù)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10億倍。研究人員還證明了將輸入微波信號(hào)放大10000倍的能力，同時(shí)保持信號(hào)質(zhì)量。研究人員說(shuō)，這種放大功能的可能性“超出了我們的想象”。

麻省理工學(xué)院納米級(jí)磁系統(tǒng)專(zhuān)家劉路橋說(shuō)：“我對(duì)這里報(bào)道的美妙結(jié)果感到興奮。磁振子極化子的使用開(kāi)辟了許多新的可能性，令人驚訝的是，與許多現(xiàn)有的替代技術(shù)相比，它在產(chǎn)生微波方面取得了卓越的性能?！?/section>

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重大突破！我國(guó)科學(xué)家研究出室溫下高功率相干微波發(fā)射技術(shù)