論文の概要: Quantum-Limited Acoustoelectric Amplification in a Piezoelectric-2DEG Heterostructure

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.09248v2
• Date: Mon, 13 Oct 2025 21:51:17 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-15 12:06:24.247952
• Title: Quantum-Limited Acoustoelectric Amplification in a Piezoelectric-2DEG Heterostructure
• Title（参考訳）: 圧電2DEGヘテロ構造における量子制限音響増幅
• Authors: Eric Chatterjee, Daniel Soh, Matt Eichenfield,
• Abstract要約: 圧電材料上に積層された2次元電子ガス(2DEG)からなるヘテロ構造体におけるフォノン増幅の量子力学的記述を提供する。 印加ドリフト電圧は、2DEG電子の運動量状態の集団反転を効果的に生成し、フォノンの自然放出を引き起こす。 音波が発射されると、励起された電子は励起された放出によってフォノンを放出し、励起状態に戻る前に劣化した基底状態に戻る。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: We provide a quantum mechanical description of phonon amplification in a heterostructure consisting of a two-dimensional electron gas (2DEG) stacked on top of a piezoelectric material. An applied drift voltage effectively creates a population inversion in the momentum states of the 2DEG electrons, giving rise to spontaneous emission of phonons. Once an acoustic wave is launched, the pumped electrons release phonons via stimulated emission, returning to depleted ground states before being pumped back to the excited states. We show that whereas efficient amplification using a 1D electron gas requires the acoustic wavelength to roughly equal the average electron-electron spacing, a 2DEG enables efficient amplification for any wavelength greater than the average electron-electron spacing. We derive the imaginary and real parts of the 2DEG first-order acoustic susceptibility as functions of electronic drift velocity in specific limits and derive the gain per unit length for the signal and the quantum noise, with the gain matching the classical result in the short-electronic-lifetime (low-mobility) regime. Moreover, we analyze the gain clamping due to pump depletion and calculate the maximum achievable intensity. Our results provide a framework for designing novel acoustic devices including a quantum phononic laser and phase-insensitive quantum phononic amplifiers.
• Abstract（参考訳）: 圧電材料上に積層された2次元電子ガス(2DEG)からなるヘテロ構造体におけるフォノン増幅の量子力学的記述を提供する。 印加ドリフト電圧は、2DEG電子の運動量状態の集団反転を効果的に生成し、フォノンの自然放出を引き起こす。 音波が発射されると、励起された電子は励起された放出によってフォノンを放出し、励起状態に戻る前に劣化した基底状態に戻る。 1D電子ガスを用いた効率的な増幅は平均電子間隔とほぼ等しい音響波長を必要とするのに対し、2DEGは平均電子間隔よりも大きい波長の効率的な増幅を可能にする。 本研究では、2DEGの1次音響感受性の想像的および現実的な部分を、特定の限界における電子ドリフト速度の関数として導き、信号と量子ノイズの単位長あたりのゲインを導出する。 さらに,ポンプの劣化によるゲインクランプの解析を行い,達成可能な最大強度を算出した。 本研究は, 量子フォノンレーザーと位相非感受性量子フォノン増幅器を含む新しい音響デバイスを設計するための枠組みを提供する。

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