（左）一座带有绿色灯的灯塔，以角频率ω旋转。 （右）这是增加旋转频率的频谱，显示靠近两个多普勒频移峰值的频谱摆动 - 加速度节拍。图片来源：库兹涅佐夫/桑托斯，PDI

保罗-德鲁德固态电子研究所（PDI）的研究人员观察到一种新的调制机制，其特征是在基于半导体的调制激光器中出现以前看不见的“加速节拍”。

正如他们在今天发表在《自然通讯》（Nature Communications）上的一篇论文中所详述的那样，这种新机制的关键（有点违反直觉）特征是，只要调制幅度足够大，就能够使用比相干时间更长的调制周期相干地操纵量子系统。

光源（如激光）的谐波调制是许多现代和新兴电信技术的基石。在这方面，两种调制制度是众所周知的：绝热制度和非绝热制度。

一方面，在绝热状态下，光的相干性（光波保持恒定的、可预测的相位连接的程度）比调制周期（即调制频率[EF1]的倒数）消散得更快。

另一方面，在非绝热状态下，几个调制周期适合系统的相干时间。后一种状态对于量子系统的相干操纵尤为重要，但需要通常在GHz范围内的高频。

然而，控制调制（这是操纵这些系统进行技术应用所必需的）需要一种微妙的平衡。根据该研究的主要作者亚历山大·库兹涅佐夫（Alexander S. Kuznetsov）的说法，在以前的研究中，在很大程度上被忽视的是调制的幅度，或者说系统摇晃的强度。

“主要障碍是震动越大，系统失去连贯性的速度就越快，”他说。“现在，我们认为这是第一次，PDI团队已经展示了当激光类光电共振被调制到极端调制幅度时会发生什么，并揭示了这种调制的一个新方面，由加速度引起。调制既不是绝热的，也不是非绝热的，而是一种根本不同的制度。

由库兹涅佐夫进行的实验研究将高振幅谐波调制引入基于半导体的微米级相干光源的发射能量。他们观察到，调制幅度的这些极端变化导致了“加速节拍”的出现，即与源的能量变化率（即加速度）相关的频谱振荡，而不是与能量变化的速度有关，就像大多数物理系统在低振幅扰动下的情况一样。

保罗·V·桑托斯（Paulo V. Santos）开发了加速节拍模型，将它们比作灯塔中快速旋转的光产生的效果：当处于静止状态时，光源将假定具有狭窄的光谱分布 - 可能是单个，定义明确的绿色光束。但是当光源旋转时，人们首先看到的不是单个光束，而是两个不同颜色的光束。

这种颜色变化是由多普勒频移引起的：当光源靠近或远离他时，观察者感知到的频率（或波长）的变化，这取决于运动速度。

“如果旋转频率进一步增加，人们开始看到接近多普勒频移发射的小摆动，”桑托斯说。“与由匀速运动引起的多普勒频移相反，这些摆动是由快速的速度变化引起的，即来自加速运动。

这种观察到的效应是普遍的，这意味着它可以在谐波调制下的任何类型的系统中观察到。然而，这些结果是第一个已知的加速拍率的实验证明，因为能够快速调制具有足够大振幅的固态系统。进一步的发现证实了这一点，即使用现有模型已经可以预测节拍。

实验设计的核心是由克劳斯·比尔曼（Klaus Biermann）开发的半导体微腔（本质上是一个由层状半导体材料制成的盒子），研究人员用它来观察由受限极化激元凝聚物发射的激光。

库兹涅佐夫说：“一个关键因素是半导体微腔中的受限光物质极化激元凝聚物是理想的光源，具有可调的相干性和增强的对单色声场的敏感性。

“另一种成分是压电产生的声波，它可以调制冷凝物的能量，其振幅超过调制量子的两个数量级。

这一发现的基本特征提出了一个重要的问题，即在宇宙现象和高能粒子的其他极端条件下是否可以观察到加速度节拍。

虽然这种新制度的潜在应用还有待探索，但研究人员表示，这项研究开辟了新的可能性，即使用低得多的调制频率产生高频频谱特征，并开发用于控制量子系统的新协议。

更多信息：A. S. Kuznetsov 等人，强驱动谐波振荡器中的加速诱导频谱节拍，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-49610-5

期刊信息： Nature Communications