Лазеры из звука: физики перевернули привычное представление о технологиях

Физики сделали значительный шаг в создании лазеров, использующих звук вместо света, что может открыть множество новых практических применений. Лазеры, работающие на основе света, уже давно считаются важными устройствами, и впервые были созданы людьми только в 1960-х годах. Лазеры производят узкий пучок света, в котором все световые волны имеют схожие длины. Как объясняет NASA, "волны света в лазере движутся синхронно, что делает лазерные лучи узкими, яркими и способными фокусироваться в очень небольшое пятно".

Однако, несмотря на разницу между светом и звуком — например, звук может распространяться только через среды, такие как жидкости и твердые тела — физики продолжают работать над созданием лазеров на основе звука. Эти устройства манипулируют квантовыми частицами звука, известными как фононы. Как пояснил профессор Эндрю Н. Клеленд из Чикагского университета в своём материале 2023 года для The Conversation, "подобно фотонам, которые составляют световые пучки, неделимые квантовые частицы, называемые фононами, формируют звуковые волны. Эти частицы возникают из коллективного движения квадриллионов атомов, подобно тому, как 'стадионная волна' создается движениями тысяч фанатов. Когда человек слушает музыку, он слышит поток этих маленьких квантовых частиц".

Фононы изначально были созданы для объяснения теплоёмкости твердых тел, и, как предсказывает квантовая механика, они должны подчиняться тем же правилам, что и фотоны. Однако технологии генерации и обнаружения отдельных фононов значительно отставали от технологий работы с фотонами. Новое исследование внесло вклад в этот процесс, предложив новую методику управления фононами.

Исследователи использовали микросферу из диоксида кремния (SiO2), которую подвесили с помощью световых пучков. Эта микросфера начала вибрировать, создавая звуковые колебания, которые включали как высокочастотный ультразвук, так и звук за пределами человеческого восприятия. Далее учёные применили переменное электрическое поле, чтобы вызвать резонанс в вибрирующей микросфере и усилить звуковые волны до тысячи раз на этих частотах.

Как объясняют авторы исследования: "Применяя одноколорную электронную инжекцию к этой подвешенной системе, можно добиться гигантского усиления для всех высших гармоник фононов. Яркость увеличивается более чем в три раза, а ширина спектральной линии уменьшается в пять раз". Эксперимент проводился в вакууме для более точного измерения звуковых волн, замкнутых внутри микросферы.

Это исследование открывает путь к созданию звуковых лазеров, которые можно использовать в различных сферах, от исследования и картографирования океанов с помощью звука до усовершенствования медицинских методов визуализации. В своей работе исследователи подчеркнули, что "эта работа, обеспечивающая более сильные и качественные сигналы когерентных фононных гармоник, является важным шагом на пути к контролю и использованию нелинейных фононных лазеров для таких приложений, как фононные частотные гребёнки, широкополосные фононные датчики и ультразвуковая биомедицинская диагностика".

Результаты исследования опубликованы в журнале eLight .