Laserul fononic, pe bază de unde sonore, detectează forțe electrice, gravitaționale sau magnetice de slabă intensitate

Majoritatea oamenilor sunt familiarizați cu laserele optice utilizate ca indicatoare laser.

Există însă și lasere pe bază de unde sonore despre care puteți afla mai multe informații în continuare.

Lumina unui laser optic diferă de cea a unui bec sau a Soarelui prin faptul că toate undele luminoase emise de acesta se mișcă în aceeași direcție și sunt coerente, adică păstrează o diferență de fază constantă. Din acest motiv fasciculul luminos care iese dintr-un indicator laser nu se răspândește în toate direcțiile.

Spre deosebire de un fascicul laser, lumina de la Soare sau de la un bec cu incandescență se propagă în toate direcțiile. Această caracteristică este, evident, foarte bună, deoarece astfel Pământul primește o cantitate suficient de mare de radiație de la Soare, iar camerele de locuit pot fi iluminate, de asemenea, cu ușurință cu ajutorul becurilor cu incandescență.

Recent, construcția laserelor fononice a stârnit interesul oamenilor de știință, iar pentru aceasta oscilațiile undelor luminoase au fost înlocuite cu vibrațiile unei mici particule solide.

Prin generarea unor unde sonore care sunt perfect sincronizate, am reușit să creăm un laser fononic sau un „laser pentru sunet”.

În lucrarea pe care am publicat-o recent în revista Nature Photonics am prezentat modul de realizare al unui laser fononic folosind oscilațiile unei particule, având un diametru de aproximativ o sută de nanometri, care a fost captată folosind o pensetă optică.

Un fascicul laser de culoare roșie de la un laser de laborator de mare putere. Credit: Doug McLean/Shutterstock.com

Unde sincronizate

O pensetă optică este, pur și simplu, un fascicul laser care trece printr-o lentilă și captează o nanoparticulă din aer, precum raza tractoare din „Star Wars.” Nanoparticula captată se mișcă înainte și înapoi, ca un pendul, de-a lungul direcției fasciculului laser.

Deoarece nanoparticula nu este fixată pe un suport mecanic sau de un substrat, ea este foarte bine izolată de mediul înconjurător. Această proprietate le permite fizicienilor să o folosească pentru a detecta forțe electrice, magnetice și gravitaționale de slabă intensitate ale căror efecte ar fi altfel ascunse.

Pentru a îmbunătăți capacitatea de detectare, fizicienii încetinesc mișcarea nanoparticulei. Pentru aceasta se măsoară variația poziției particulei în funcție de timp, iar informația obținută este utilizată de un computer care controlează puterea fasciculului laser de captare.

Prin variația puterii de capturare din penseta optică se încetinește mișcarea nanoparticulei. Această configurație experimentală a fost utilizată de mai multe grupuri de cercetători din întreaga lume în aplicații care nu au fost dedicate laserelor fononice.

Din acest punct de vedere dispozitivul nostru este unic și esențial pentru construirea unui laser fononic. Acesta a implicat modularea fasciculului de captare pentru ca nanoparticula să oscileze mai repede, comportându-se asemănător unui laser.

Vibrațiile mecanice ale nanoparticulei au generat unde sonore sincronizate sau un laser fononic.

Laserul fononic reprezintă o serie de unde sonore sincronizate. Un detector poate monitoriza laserul fononic și poate identifica modificări ale modelului acestor unde sonore care dezvăluie prezența unei forțe gravitaționale sau magnetice.

O imagine artistică în care penseta optică (roz) captează o nanoparticulă care se mișcă înainte și înapoi generând unde sonore. Credit: A. Nick Vamivakas și Michael Osadciw, University of Rochester illustration, CC BY-SA

Aplicații posibile

Laserele optice sunt foarte utile. Ele transferă informații prin cablurile de fibră optică, citesc codurile de bare în supermarketuri și asigură funcționarea ceasurilor atomice care sunt esențiale pentru sistemul de poziționare global GPS.

Noi am dezvoltat inițial laserul fononic ca un instrument pentru detectarea câmpurilor electrice, magnetice și gravitaționale de slabă intensitate care modifică undele sonore într-un mod pe care îl putem detecta.

Sperăm că alți cercetători vor găsi noi utilizări pentru această tehnologie în comunicații și pentru măsurători de precizie, cum ar fi masa unor molecule foarte mici.

În ceea ce privește partea fundamentală, lucrarea noastră poate fi de interes pentru testarea unor teorii din fizica cuantică privind comportamentul colectiv a miliarde de atomi, aproximativ numărul de atomi din nanoparticula utilizată de noi.

Laserele reprezintă, de asemenea, punctul de plecare pentru crearea unor stări cuantice exotice, cum ar fi celebra stare cuantică cunoscută sub numele de „pisica lui Schrödinger”, prin care un obiect cuantic se poate afla în două locuri în același timp.

Probabil că cele mai interesante utilizări ale laserului fononic sunt cele pe care nu le putem anticipa în prezent.

Traducere si adaptare după A new type of laser uses sound waves to help to detect weak forces