我們都知道，光是由一種叫做光子的粒子組成的，而光子是電磁場的量子化單位。當我們用一個特定的頻率來激發一個原子或分子時，它就會發射出一個相同頻率的光子，這就是受激輻射。如果我們把很多這樣的原子或分子放在一個共振腔里，讓它們之間相互作用，就可以形成一個穩定的光場，這就是光激光器。
那么，聲子呢?聲子是物質中振動模式的量子化單位，也就是說，它們是物質中原子或分子運動的最小單位。當我們用一個特定的頻率來激發一個原子或分子時，它就會發射出一個相同頻率的聲子，這就是受激散射。如果我們把很多這樣的原子或分子放在一個共振腔里，讓它們之間相互作用，就可以形成一個穩定的聲場，這就是聲子激光器。
你可能已經注意到了，聲子激光器和光激光器有很多相似之處，但也有一些重要的區別。首先，聲子激光器涉及到物質中原子或分子的運動，而不是電磁場。這意味著聲子激光器更容易受到環境的干擾和損耗，因此需要更強大的驅動和更高效的冷卻。其次，聲子激光器發射出來的不是可見光或其他形式的電磁波，而是機械波或者說聲波。這意味著聲子激光器可以用來探測和操作物質中微觀和納觀的結構和性質，比如量子比特、納米機器人、生物分子等等。
那么，為什么要制造一個處于量子區域的聲子激光器呢?這有什么好處呢?其實，在量子區域，聲場會表現出一些非常奇妙和有趣的現象，比如超導、超流、量子糾纏、量子隱形等等。如果我們能夠實現一個量子區域的聲子激光器，就可以用它來研究這些現象，并且利用它們來實現一些新穎和有用的功能和應用。
那么，如何實現一個量子區域的聲子激光器呢?這可不是一件容易的事情，要做到這一點，我們需要滿足兩個條件：一是要讓聲子的數量非常少，以至于量子效應可以占據主導地位;二是要讓聲子的壽命非常長，以至于它們不會被環境所破壞。這兩個條件看起來很矛盾，因為聲子的數量越少，它們就越容易被環境所影響;而聲子的壽命越長，它們就越難以被激發和控制。
這篇論文的作者采用了一個非常巧妙和創新的方法來解決這個問題。他們使用了兩個不同種類的離子，分別是鈣離子和鈹離子，把它們放在一個保羅陷阱里，讓它們共享一個振動模式。然后，他們用兩個不同的激光束來分別對鈣離子和鈹離子進行激發和冷卻。具體來說，他們用一個紅色的激光束來對鈣離子進行紅色邊帶驅動，并且用一個工程化的衰變過程來對鈣離子進行冷卻;同時，他們用一個藍色的激光束來對鈹離子進行藍色邊帶驅動，并且用一個工程化的衰變過程來對鈹離子進行加熱。通過這樣做，他們實現了一個有兩個競爭性的耗散通道的系統，其中一個通道起到了聲子激光器的作用，而另一個通道起到了聲子吸收器的作用。
通過調節激光束的強度和頻率，他們可以控制系統處于不同的相態，包括熱平衡態、加熱態、冷卻態和激光態。在激光態下，系統會形成一個穩定的聲場，其平均聲子數少于10，并且具有很高的相干性。他們還可以用另一個共振的驅動來鎖定聲場的相位，并且用一種特殊的測量方法來重構聲場的量子態。通過這樣做，他們可以觀察到聲場在耗散下的相擴散現象，并且驗證了系統處于量子區域。
這篇論文是關于聲子激光器方面的一項重要突破，它為實現和利用量子區域的聲場提供了一種可行和有效的方法。它也為探索聲場和自旋之間以及聲場和光場之間的量子耦合和量子信息處理提供了一個理想的平臺。
