Лазери от звук: физиците преобърнаха традиционната представа за технологиите с главата надолу

Пробив във физиката дава възможност за създаване на мощни звукови лъчи с помощта на фонони.

Физиците направиха значителна крачка към създаването на лазери, които използват звук вместо светлина, което може да открие много нови практически приложения. Лазерите, базирани на светлина, отдавна се смятат за важни устройства и са създадени за първи път едва през 60-те години на миналия век. Лазерите създават тесен светлинен лъч, в който всички светлинни вълни са със сходни дължини и фази. Според обяснението на НАСА „светлинните вълни в лазера се движат в синхрон, което прави лазерните лъчи тесни, ярки и способни да се фокусират в много малка точка„.

Но, въпреки разликите между светлината и звука – например звукът може да се разпространява само през среди като течности и твърди тела – физиците все още работят върху лазери, базирани на звука. Тези устройства манипулират квантовите звукови частици, известни като фонони. Както обяснява професор Андрю Н. Клеланд от Чикагския университет в статията си за The Conversation от 2023 г.:

„Подобно на фотоните, които изграждат светлинните лъчи, неделимите квантови частици, наречени фонони, образуват звукови вълни. Тези частици възникват от колективното движение на квадрилиони атоми, подобно на „вълната на стадиона“, която се създава от движенията на хиляди фенове. Когато човек слуша музика, той чува поток от тези малки квантови частици“.

Фононите първоначално са въведени, за да обяснят топлинния капацитет на твърдите тела, и както прогнозира квантовата механика, те би трябвало да се подчиняват на същите правила като фотоните. Въпреки това технологиите за генериране и откриване на отделни фонони изостават значително от тези за работа с фотоните. Ново изследване допринася за развитието на този процес, като предлага нова техника за контрол на фононите.

Изследователите са използвали микросфера от силициев диоксид (SiO2), която е била окачена с помощта на светлинни лъчи. Тази микросфера започва да вибрира, създавайки звукови вибрации, които включват както високочестотен ултразвук, така и звук извън човешкото възприятие. След това учените приложили променливо електрическо поле, за да предизвикат резонанс във вибриращата микросфера и да усилят звуковите вълни до хиляда пъти при точно определени честоти.

Авторите на изследването поясняват:

„Чрез прилагане на инжектиране на електрони с определена енергия към тази окачена система може да се постигне гигантско усилване за всички висши хармоници на фононите. Силата на излъчване се увеличава повече от три пъти, а ширината на спектралната линия намалява пет пъти“.

Експериментът е проведен във вакуум за по-точно измерване на звуковите вълни, затворени в микросферата.

Това изследване проправя пътя за разработване на звукови лазери, които могат да се използват в различни приложения – от изследване и картографиране на океаните с помощта на звук до подобряване на техниките за медицинска визуализация. В своята статия изследователите подчертават, че

„Тази разработка, осигуряваща по-силни и по-качествени кохерентни фононни хармонични сигнали, е важна стъпка към контрола и използването на нелинейни фононни лазери за приложения като фононни честотни гребени, широколентови фононни сензори и ултразвукова биомедицинска диагностика“.

Резултатите са публикувани в списание eLight .