L'effet laser - l'émission d'un faisceau lumineux collimaté avec une longueur d'onde (couleur) et une phase bien définies - résulte d'un processus d'auto-organisation, dans lequel un ensemble de centres d'émission se synchronise pour produire des particules lumineuses identiques (photons). Un phénomène de synchronisation auto-organisé similaire peut également conduire à la génération de vibrations cohérentes - un laser à phonons, où phonon désigne, par analogie avec les photons, les particules quantiques du son.

Le laser à photons a été démontré pour la première fois il y a environ 60 ans et, par coïncidence, 60 ans après sa prédiction par Albert Einstein. Cette émission stimulée de lumière amplifiée a trouvé un nombre sans précédent d'applications scientifiques et technologiques dans de multiples domaines.

Bien que le concept d'un "laser du son" ait été prédit presque en même temps, seules quelques implémentations ont été signalées jusqu'à présent et aucune n'a atteint la maturité technologique. Maintenant, une collaboration entre des chercheurs de l'Instituto Balseiro et du Centro Atómico à Bariloche (Argentine) et du Paul-Drude-Institut à Berlin a introduit une nouvelle approche pour la génération efficace de vibrations cohérentes dans la gamme des dizaines de GHz à l'aide de structures semi-conductrices. De façon intéressante, cette approche de la génération de phonons cohérents est basée sur une autre prédiction d'Einstein :celle du 5ème état de la matière, un condensat de Bose-Einstein (BEC) de particules couplées de matière légère (polaritons).

Le polariton BEC est créé dans un piège microstructuré d'une microcavité semi-conductrice constituée de centres électroniques pris en sandwich entre des réflecteurs de Bragg distribués (DBR) conçus pour réfléchir la lumière de la même énergie C émise par les centres (cf. Fig. 1a). Lorsqu'il est excité optiquement par un faisceau lumineux avec une énergie différente L, pour laquelle le DBR est transparent, les états électroniques des centres émettent des particules lumineuses (photons) à l'énergie ℏωC, qui sont rétroréfléchis aux DBR. Les photons sont alors à nouveau réabsorbés par les centres. La séquence rapide et répétitive des événements d'émission et de réabsorption rend impossible de distinguer si l'énergie est stockée dans un état électronique ou photonique. On dit plutôt que le mélange entre les états crée un nouveau, particule de matière légère, appelé polariton. Par ailleurs, sous une forte densité de particules (et aidé par la localisation spatiale induite par le piège), les polaritons entrent dans un état auto-organisé similaire aux photons dans un laser, où toutes les particules se synchronisent pour émettre de la lumière avec la même énergie et la même phase - un laser BEC à polaritons. La signature caractéristique du polariton BEC est une raie spectrale très étroite illustrée par la courbe bleue de la Fig. 1b, qui peut être détecté en mesurant le rayonnement évanescent s'échappant de la microcavité.

Une autre propriété intéressante des miroirs à microcavité (DBR) utilisés est la capacité de réfléchir non seulement les vibrations optiques (lumière) mais aussi mécaniques (son) dans une plage spécifique de longueurs d'onde. En conséquence, une microcavité typique d'AlGaAs pour les photons dans le proche infrarouge confine également des quanta de vibrations - les phonons - dont l'énergie ℏωa correspond à la fréquence d'oscillation ωa/2p d'environ 20 GHz. Comme la réflexion des photons par les DBR fournit la rétroaction requise pour la formation d'un polariton BEC, la réflexion des phonons conduit à une accumulation de la population de phonons ainsi qu'à une amélioration de l'interaction des phonons avec le polariton BEC.

Comment se produit l'interaction entre polaritons et phonons ? Comme l'air dans un pneu, une forte densité de polaritons condensés exerce une pression sur les miroirs à microcavité, qui peut déclencher et entretenir des oscillations mécaniques à la fréquence des phonons confinés. Ces oscillations respiratoires modifient les dimensions de la microcavité, agissant ainsi en retour sur le polariton BEC. C'est cette interaction optomécanique couplée qui donne lieu à l'émission cohérente de son au-dessus d'une densité critique de polaritons. Une empreinte de cette émission cohérente de phonons est l'autopulsation de l'émission BEC sous excitation continue par un laser d'énergie L. Cette autopulsation est identifiée par l'émergence de fortes bandes latérales autour de l'émission du polariton BEC déplacées par les multiples de l'énergie du phonon ℏωa (cf. la courbe rouge sur la figure 1b).

L'analyse de l'amplitude des bandes latérales de la figure 1b montre que des centaines de milliers de phonons monochromatiques peuplent l'état vibrationnel résultant et sont émis vers le substrat sous la forme d'un faisceau laser de phonons cohérents de 20 GHz. Une caractéristique essentielle de la conception est la stimulation des phonons par un émetteur de lumière interne très intense et monochromatique - le polariton BEC - qui peut être excité non seulement optiquement mais aussi électriquement, comme dans un laser à émission de surface à cavité verticale (VCSEL). Par ailleurs, des fréquences de phonons plus élevées peuvent être obtenues par des modifications appropriées de la conception de la microcavité. Les applications potentielles du laser à phonons comprennent le contrôle cohérent des faisceaux lumineux, émetteurs quantiques, et des portes dans les dispositifs de communication et d'information quantique, ainsi que la conversion bidirectionnelle lumière-micro-ondes dans une très large gamme de fréquences 20-300 GHz pertinente pour les futures technologies de réseau.