科研进展 | 电子科技大学郭光灿团队：高频声子源参量调控

8月2日，由电子科技大学郭光灿院士团队邓光伟教授课题组联合信息与通信工程学院黄勇军教授，发表了高频声子源参量调控方面的研究成果。相关论文于8月2日以《Dual-driving parametric locking of GHz phonon sources to sub-hertz linewidth in optomechanical systems》为题发表在光学领域国际权威期刊Optica上。

在探索集体动力学和高级信息处理过程中，同步和频率锁定机械振荡是关键现象。传统的同步技术通常涉及单一机械模式，其局限性在于锁定后无法区分固有机械振荡和外部信号。

为了解决这一挑战，该团队引入了一种参数化方法，能够在光机械晶体腔中同时锁定两个千兆赫兹机械模式的频率。通过调制泵浦光以匹配机械模式的和频和差频，该团队在室温和常压下显著地将它们的线宽从几十千赫兹缩小到低于1赫兹。这种双重锁定方案还在100赫兹偏移处将机械模式的相位噪声大幅降低76.6dB/Hz，同时允许通过输入信号调整灵活调节锁定模式的频率。该团队的方法不仅便于在锁定机制下直接观察机械振荡，而且丰富了对多模态相干声子的理解，为信号处理中的光机械应用开辟了新的途径。

研究背景

声子，作为固体晶格振动的简正模能量量子，是物理学中的一个基本概念。在日常生活中，声子也常被描述为声音、热量、机械等能量传输的载体。随着科技的发展，声学高性能器件，尤其是高性能的声子源，已成为发展新型声学量子信息处理、声光通信、声光精密测量等应用的基石。

在纳米力学和光力学领域，对机械振动（声子）的精细操控对于基础物理研究和实际应用均具有重要意义。声子激光器因其在放大过程中保持的相干性而备受关注。然而，传统的同步技术通常局限于单一机械模式，难以在锁定后区分内在的机械振动和外部信号。

面向国家在实用化量子精密测量、量子计算等领域的重大战略需求，研究团队布局了高性能声子源的研究方向。为了克服这些挑战，研究团队致力于开发新的技术，以实现对GHz声子源的亚赫兹线宽的精确控制。

实验进展

针对上述问题，团队基于一维光声晶体微腔体系，提出了一种全新的双驱动参量锁定技术，让两个高频率（约5GHz）的机械模式同时实现锁定。这种技术通过调制激光，使调制信号与两种机械振动模式的和频与差频相匹配，从而大大提高了频率的稳定性。

实验装置示意图以及参量锁定的物理原理图

通过这种方法，研究团队以光腔蓝边带泵浦激励出的声子激光为声子源，成功地在常温常压下将线宽从万赫兹量级（~10kHz）压缩到亚赫兹水平（<1Hz），并且在100Hz频率偏移处实现了高达76.6dB/Hz（dBc/Hz）的相位噪声抑制，实现了更高的频率稳定性和更好的相干性。此外，该方法允许通过输入信号调整来灵活调节锁定模式的频率。

双参量泵浦导致的机械线宽压窄及相位噪声下降

研究意义

这项研究不仅促进了在锁定机制下对机械振动的直接观察，而且丰富了对多模态相干声子的理解，并为光机械系统在信号处理等领域的应用开辟了新的途径。例如，这种技术可以用于光学频率梳、非互易性、非线性多模态系统、噪声降低、模拟模拟器以及强耦合和相干控制等领域。

同时该成果对微纳振荡器和光声量子信息处理等领域具有重要意义，为该团队后续在光声量子精密测量、基于声子的量子计算扩展架构、声学量子换能器等领域的研究奠定了基础。

尽管此次成果在室温下实现了卓越的频率稳定性，但热光不稳定性限制了设备内部共振的光功率。未来的研究可以探索包含更多机械模式的系统，并研究在多重参数锁定区域中增加频率可调性的潜在应用。此外，将参数锁定现象扩展到量子区域的声子激光器，探索声子在量子信息处理中的应用，也是一个有趣的研究方向。

主要作者简介

唐锦道为电子科技大学基础与前沿研究院物理学专业2020级博士生。

黄勇军为电子科技大学教授兼博士生导师。

邓光伟为电子科技大学教授兼博士生导师。

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