Физики нашли способ создания более мощных лазеров из звука

Группа физиков сделала шаг к созданию более мощных лазеров, использующих звук вместо света, которые могут иметь множество практических применений, помимо того, что они просто красивые. Исследования опубликовано в журнале eLight.

Типичные лазеры сами по себе довольно круты, и эти устройства на самом деле не так давно появились на Земле, впервые они были созданы людьми в 1960-х годах. «Лазеры производят узкий луч света, в котором все световые волны имеют очень похожие длины волн. Световые волны лазера движутся вместе, и их пики выстраиваются в одну линию или находятся в фазе. Вот почему лазерные лучи очень узкие, очень яркие и могут быть сфокусированы в очень маленькую точку», — объясняет НАСА.

Хотя звук и свет имеют свои различия (например, звук распространяется только через такую среду, как жидкости и твердые тела), физики работают над созданием звуковых лазеров путем манипулирования фононами.

«Подобно фотонам, из которых состоят лучи света, неделимые квантовые частицы, называемые фононами, составляют луч звука. Эти частицы возникают из коллективного движения квадриллионов атомов, подобно тому, как «стадионная волна» на спортивной арене возникает из-за движения тысяч отдельных болельщиков. Когда вы слушаете песню, вы слышите поток этих очень маленьких квантовых частиц», — объяснил профессор Эндрю Н. Клеланд из Чикагского университета. «Первоначально задуманные для объяснения теплоемкости твердых тел, фононы, как предполагается, подчиняются тем же правилам квантовой механики, что и фотоны. Однако технология генерации и обнаружения отдельных фононов отстает от технологии для фотонов».

В новом исследовании ученые взяли микросферу (крошечный шарик) оксида кремния (SiO 2) и подвесили ее с помощью пучков света. Это заставило шарик вибрировать, придав ему внутренний звук, похожий на очень высокий писк, а также звук за пределами человеческого слуха.

Затем они начали манипулировать вибрирующей микросферой с помощью переменного электрического поля, чтобы вызвать резонанс, усиливая звуковые волны на этих частотах до тысячи раз.

«Применяя одноцветную электронную инъекцию к этой левитирующей системе, можно добиться гигантского усиления для всех фононных гармоник более высокого порядка, с усилением яркости более чем на 3 порядка и сужением ширины линии на 5 порядков», — поясняет группа в своей статье. 

Хотя эксперимент проводился в вакууме для лучшего измерения звуковых волн (заключенных внутри микросферы), исследование делает шаг к созданию звуковых лазеров, которые мы могли бы использовать для многих целей: от исследования и картирования океана с использованием звука до совершенствования методов медицинской визуализации.

«Эта работа, обеспечивающая получение гораздо более сильных и качественных сигналов когерентных фононных гармоник, — заключает группа, — является ключевым шагом на пути к управлению и использованию нелинейных фононных лазеров для таких приложений, как фононые частотные гребни, широкополосные фононные датчики и ультразвуковая биомедицинская диагностика».