Фононные лазеры могут использоваться для управления микрочипами, которые будут меньше, быстрее и энергоэффективнее, чем устройства, работающие на основе радиочастот.
Ученые из Рочестерского университета и Рочестерского технологического института разработали лазер на основе сжатых фононов, который может помочь в разработке «неподдающихся помехам» навигационных систем и в изучении квантовых явлений, таких как квантовая запутанность.
Лазеры, впервые изобретенные в 1960-х годах, открыли новые возможности для исследований и практического применения. От корректирующей хирургии глаз до удержания плазмы для исследований в области ядерного синтеза, от развлечений до ускорения работы касс в супермаркетах — лазеры стали частью нашей повседневной жизни.
Хотя используемые нами лазеры управляют фотонами, или частицами света, ученые также создали лазеры, которые управляют другими фундаментальными частицами, такими как колебания и звук. Они известны как фононы и открывают возможности для дальнейших исследований в области квантовой физики, гравитации и ускорения частиц.
Почему фононы важны?
Фононы являются квазичастицами, поскольку представляют собой возбужденное состояние в квантово-механическом квантовании мод колебаний упругих структур. Проще говоря, подобно тому как фотоны являются квантованными световыми волнами, фононы являются квантованными звуковыми волнами.
Впервые представленная в 1930 году, эта концепция важна, поскольку помогает понять системы конденсированных сред. В то время как классическая механика рассматривает нормальные моды как волновые явления, фононы также проявляют свойства, подобные свойствам частиц, за что и получили название квазичастиц.
Ник Вамивакас, профессор оптической физики в Рочестерском университете, вместе со своими коллегами продемонстрировал фононный лазер в 2019 году. Захватив и левитируя фононы в вакууме с помощью оптического пинцета, исследователи продемонстрировали технологию с помощью этого устройства, но также столкнулись с проблемами шума.
Снижение уровня шума в фононном лазере
«Хотя невооруженным глазом лазер выглядит как ровный луч, на самом деле в нем присутствует множество флуктуаций, которые вызывают шум при использовании лазеров для измерений», — сказал Вамивакас в пресс-релизе. «Правильно воздействуя на фононный лазер светом, мы можем значительно уменьшить эти флуктуации».
Исследователям удалось уменьшить тепловой шум, присущий фононному лазеру, и измерить ускорение с большей точностью, чем с помощью фотонных лазеров или радиочастотных источников.
Исследователи также уверены, что их устройство можно использовать для точных измерений гравитации и других сил. В совокупности это позволит создать квантовые компасы, которые будут не только более точными, но и «неподвластными помехам», поскольку не будут зависеть от спутников для работы.
Поскольку высокочастотные акустические колебания также могут быть использованы для управления квантовыми состояниями, фононные лазеры могут быть задействованы для их более детального изучения и открывают возможности для будущих квантовых сенсорных технологий и квантовых вычислений.
Кроме того, фононные лазеры могли бы служить источниками поверхностных акустических волн (ПАВ) для управления микрочипами. Устройства, созданные на основе таких чипов, были бы быстрее, меньше и энергоэффективнее, чем устройства, работающие на основе радиочастот.
Поскольку звуковые волны распространяются через водные ткани эффективнее, чем свет, исследователи также заинтересованы в разработке лазеров на основе фононов для получения точных ультразвуковых изображений и, возможно, неинвазивных методов лечения в будущем.
Вамивакас и его коллеги с нетерпением ждут дальнейшего развития технологий в этих областях.
Результаты их исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.
Sourse: interestingengineering.com
