每户家庭都有几十个激光器。它们读取蓝光光盘上的数据，通过光纤传输电话，在收银台扫描商品，并引导手术器械达到亚毫米级精度。激光器的微波版本，脉泽，却没有这样的履历。在其发明七十年后，脉泽仍然被锁在物理实验室中，需要低温或真空腔才能工作。但这种情况可能终于要改变了。研究人员首次展示了一种能在室温下工作的半导体脉泽，它由碳化硅制成，这种材料已经大规模用于电力电子和LED照明。
发表在《自然·通讯》上的这项突破，代表的不仅仅是一个温度记录。它表明脉泽可能遵循激光在20世纪60年代和70年代走过的相同道路：从笨重的实验室设备，到紧凑、大规模制造并嵌入日常技术的组件。
脉泽和激光共享相同的基本物理原理。两者都依赖受激辐射，即激发的原子或分子被经过的光子触发，释放出一个相同的光子，从而放大信号的过程。区别在于波长。激光产生可见光或红外光。脉泽产生微波和无线电波。第一个脉泽由查尔斯·汤斯于1954年制造，使用氨气，可以放进一个面包盒里。这是优雅的物理学，但却是 impractical 的工程学。为了工作，氨分子必须通过真空腔内的电场分离，只产生几纳瓦的功率。
固态脉泽改善了情况，但引入了另一个障碍：需要液氦，它在4开尔文沸腾。固体的晶格会产生振动，破坏脉泽作用所需的粒子数反转，因此整个器件必须保持在接近绝对零度的温度。这种低温要求使脉泽成为射电天文学极其灵敏的探测器，但完全不适合商业用途。相比之下，激光在半导体中找到了逃生口。1962年展示并在随后几十年商业化的半导体激光二极管，可以做到小型、高效且廉价。
新型脉泽的目标是为微波做同样的事情。它使用4H-碳化硅晶体，这是SiC的一种多型体，已经广泛应用于高压电力电子和电动汽车逆变器。脉泽作用来自晶格中一种特定类型的缺陷：硅空位，即单个硅原子从其位置缺失，留下一个自旋活性电子中心。这些Vsi中心模仿了第一个激光器中红宝石晶体的作用，但具有一个重要优势。它们位于一个原则上可以电泵浦的半导体内部。
研究人员展示了在高于室温的315开尔文（42摄氏度）下的连续波操作。诀窍是一个有源反馈回路，它将微波谐振器的品质因数提高了5倍，有效地将微波场捕获足够长的时间，使硅空位的弱增益建立成持续振荡。在110开尔文时，该器件实现了超过10分贝的增益。在室温下，使用617毫瓦的808纳米光泵浦功率（这是廉价激光二极管产生的波长），输出功率达到每赫兹-80 dBm，与实用微波接收器中遇到的信号水平相当。
为了证明脉泽不仅仅是实验室的好奇之物，该团队使用同一器件展示了三种不同的应用。第一个是低噪声放大器，噪声系数在1到3.5分贝之间。相比之下，传统的室温微波放大器很难低于6分贝。脉泽放大器之所以能实现低噪声，是因为受激辐射与电阻放大不同，几乎不会向信号添加热噪声。这可能使其对量子读取电路、射电天文接收器以及5G或6G基站非常有用。
第二个演示更加不寻常：微波制冷机。当脉泽被调谐到吸收微波而非放大微波时，它就像一个热泵，从腔模中提取能量。研究人员测量到腔模温度比器件的环境温度下降了40开尔文。这是一种微波频率下的主动冷却形式，类似于激光冷却阱对原子所做的那样，它可以帮助保护敏感的量子电路免受热噪声影响，而无需稀释制冷机。
第三个演示是磁力计。硅空位中心由于其自旋特性对磁场敏感，但通过传统光学方法读取其自旋状态噪声很大。脉泽提供了一种替代方案：自旋状态调制脉泽增益，进而调制输出功率。这种读取实现了每平方根赫兹20皮特斯拉的灵敏度。对比度与线宽之比相比传统光学读取提高了九个数量级。九个数量级的差异，相当于手表和宇宙年龄的差距。
选择碳化硅而不是钻石（在以前的脉泽实验中曾使用过）是经过深思熟虑的。钻石脉泽存在千兆赫兹范围内的零场分裂，意味着即使在零磁场下，自旋能级也已经广泛分离。这使得调谐脉泽频率或在放大和吸收之间切换变得困难。碳化硅的零场分裂仅为70兆赫兹，大约小100倍。仅2.5毫特斯拉的磁场变化就足以让器件在放大和吸收行为之间切换。这种可调谐性对于实际应用至关重要。只能冷却一个固定频率的制冷机，远不如可以调谐以匹配其保护电路特定热噪声峰的制冷机有用。
更广泛的意义在于材料兼容性。碳化硅不是仅为量子实验生长的专用晶体。它是一种标准半导体，在已经为电动汽车、太阳能逆变器和高压电源每年生产数百万片晶圆的生产线中制造。SiC的制造、掺杂和接触基础设施已经成熟。这提出了电驱动脉泽二极管的可能性，类似于激光二极管。这种器件无需808纳米的外部光泵浦，而是将电子和空穴直接注入碳化硅，通过电学方式产生粒子数反转。一种小到可以放在芯片上、便宜到可以嵌入消费电子产品的半导体脉泽二极管，将为微波带来激光二极管为光带来的同样革命。
激光为光所做的事情（缩小、工业化和普及一种基本的物理效应），半导体脉泽现在可能为微波做到。第一个激光器是一个螺旋闪光灯内的红宝石棒，占据了整个实验台。如今，一个盐粒大小的激光二极管驱动着互联网。第一个半导体脉泽仍然比这更笨重，但它在室温下工作，由一种已经大规模生产的材料制成，并且能够放大、冷却和感应。激光的历史表明，一旦器件可以用半导体制造，普及之路就敞开了。
婷 翻译
参考文献： Nature Communications 17, 7267 (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-75446-2