近日，同济大学物理科学与工程学院任捷教授课题组在声子激光器（phonon laser，又称“激声”）领域取得理论突破。他们提出一种基于量子声表面波（SAW，surface acoustic wave）的激射新方案：将嵌入金刚石并具有特殊能级结构的SiV色心置于光学微腔中，通过能级跃迁与应变耦合，实现声表面波的声子激射和声子自旋激射。
在光驱动与参数调控下，色心激发态到两个基态的跃迁路径发生干涉相消，导致激发态上几乎无布居分布，如同进入一种“隐身”状态。这种因干涉相消形成的特殊量子态被称为“暗态”，它使系统与激发态噪声有效隔离，显著提升了抗干扰能力。在此基础上，研究团队利用两个基态间的应变耦合跃迁，辐射出表面声波声子。此外，由于SiV色心的两个基态具有角动量差异，其跃迁所产生的声子必然携带自旋角动量，并结合“自旋-动量锁定”效应，使声子激光只能沿特定方向传播，实现了声子自旋选择的单向辐射。类比英文“laser”，科学家将这种SAW phonon laser 称为SAWaser，意为“SAW amplification by stimulated emission of radiation”。
该工作以“Dark-state-induced surface-acoustic-wave lasing and phonon-spin-selected unidirectionality” 为题，以Letter的形式发表在Physical Review Applied上（Phys. Rev. Appl. 25, L011001 (2026)）。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委和上海市科委的资助。同济大学物理科学与工程学院博士后雷长勇为论文第一作者，任捷教授为通讯作者。
激光，即“受激辐射光放大”，能产生高度相干、方向性极好的光束。声子激光是把激光（受激辐射光放大）的概念扩展到量子声动力学领域，即得到受激辐射声放大。声子激光具有良好的相干性，在精密测量、传感、成像、引力波探测、宏观物体的冷却，量子信息和量子计算方面具有重要作用。然而，实现高性能的声子激光器面临着一个核心挑战：如何有效抑制噪声干扰？传统方案难以避免激发态噪声的影响，限制了其性能。
近年来的研究带来新思路：声子与光子类似，也可携带固有自旋角动量（自旋为1）。同济大学任捷课题组在声波自旋和声子自旋做了系统研究（参考PNAS 115, 9951 (2018)；基本概念系统可见Chin. Phys. Lett. 39, 126301 (2022)）。在某些体系（如表面声波）中，声子的自旋方向与其传播方向锁定（“自旋-动量锁定”），即：具有确定自旋的表面声波只能往某一方向传播，这为实现定向且受保护的声子传输提供了新的物理自由度。然而，此前声子激光的研究尚未关注携带角动量的声子激光。另一个重要问题是：如何设计一种既能抵抗噪声又能定向辐射的声子激光器？
同济大学的这项理论研究填补了这一空白，并给出了巧妙答案：将量子光学中用于隔离噪声的“暗态”概念，与声子的“自旋-动量锁定”特性相结合，构造了量子声表面波的声子自旋激射器件。
本工作的核心创新正在于此。通过暗态设计从原理上隔离主要噪声源，同时利用声子自旋物理实现声子的定向辐射。这为理论上构建强抗干扰、单向传播的声子激光提供了全新方案，为下一代高精度声学器件与量子声子学实验奠定了基础。
一、提出了利用暗态来产生声子激光的方案
图1 (a) 实现表面声波声子自旋激光的实验设置(内图为SiV色心的晶体结构)，（b）SiV色心的能级结构，（c）通常的声子激光方案，（d）暗态声子激光方案。
本论文将嵌入SiV色心的金刚石置于光学微腔中（图1(a)），利用激光驱动SiV色心能级跃迁（图1(b)）。通过两个跃迁通道的干涉相消，实现电子从｜1〉态到｜2〉态的直接跃迁（图1(d)），从而使激发态与系统退耦合，等效形成一组暗态，暗态间的跃迁辐射出声子激光。由于激发态退耦，激发态引起的噪声可忽略，使该声子激光方案具备抗噪声能力。传统激光方案需借助激发态（图1(c)），易受激发态噪声影响。
二、暗态显著增强激声的强度和抗噪声能力
图2 随着噪声强度的增加（即随着SiV色心激发态衰减率
的增加），非暗态激声（a）与暗态激声（b）的比较。上排是二阶关联函数（
的区域为激光区域，即对应的阴影区域），中排是暗态几率，下排是声子激光的平均声子数。
对比噪声对非暗态声子激光（图2(a)）与暗态声子激光（图2(b)）的影响可见：非暗态激声随噪声增强，激声强度（平均声子数）峰值逐渐下降（图2(a)下排），而暗态激声几乎不受噪声影响（图2(b)下排），表明暗态声子激光具有强大的抗噪声能力。此外，暗态声子激光的强度峰值远高于非暗态声子激光，说明暗态有效增强了声子激光的强度。
三、产生单向辐射的声子自旋激光
图3 声子激光的自旋密度 (a) 和二阶关联函数
随方位角（声子传播方向与磁场的夹角）和Rabi频率
的分布图（下排为图中橙色线对应的极坐标画法）。
由于SiV色心两个基态间的跃迁存在角动量差异，所产生的声子激光带有声子自旋。图3(a)展示了声子自旋随波矢与磁场夹角θ的分布，可见声子自旋具有方向选择性（仅在一定角度范围内分布，见下排极坐标图）。由于自旋-动量锁定，声子自旋决定了声子激光只能朝特定方向辐射 (图3 (b)中白色区域
即为量子声子激射区域)。
该工作提出一种新型的表面声波声子激光（SAW phonon laser，亦称作SAWaser，意为SAW amplification by stimulated emission of radiation）理论。其不仅是量子的声子受激发射，更是声子自旋的受激发射（phonon spin lasing）。具体方案为：将具有Λ型能级结构的SiV色心（包含两个基态与一个激发态）嵌入金刚石，并置于光学微腔中，利用激光驱动其中一个基态至激发态的跃迁；当激发态向另一基态跃迁与微腔共振时，调节耦合参数可形成暗态（两跃迁通道干涉相消，使激发态布局数为零）。通过光驱动实现两个基态间的粒子数翻转，再利用基态间跃迁（等效于暗态间跃迁）辐射表面声波声子（材料应变引起基态能级移动，从而实现SiV色心与表面声波的耦合）。由于暗态与激发态退耦，噪声对声子激光的影响被极大抑制，实现了抗噪声的声子激光。此外，因两个基态具有角动量差异，产生的声子激光携带自旋，结合自旋-动量锁定效应，该激光只能朝特定方向辐射与传播。
该工作实现了强抗噪声、单向传播的量子声子激光（且是声子自旋的激射），对高精度的测量、成像，定向输运，集成声子芯片，非经典的声子态操控和宏观振动纠缠等领域具有积极推动作用。
Dark-state-induced surface-acoustic-wave lasing and phonon-spin-selected un
idirectionality，
C. Lei, and J. Ren*, Phys. Rev. Appl. 25, L011001 (2026)
供稿：课题组
