С момента появления лазеров в 1960-х годах они изменили как науку, так и нашу повседневную жизнь — от сканеров в магазинах до операций по коррекции зрения. Сегодня лазер может стать основой для совершенно новых технологий.
Обычный лазер функционирует с фотонами — частицами света, которые он заставляет двигаться синхронно. Однако в последние десятилетия ученые начали исследовать возможность осуществления аналогичного процесса с другими частицами. Например, с фононами — квантами колебаний, представляющими собой мельчайшие «порции» вибрации и звука. Управление фононами открывает доступ к необычным квантовым эффектам и совершенно новым возможностям в измерениях.
Специалисты из Рочестерского университета и Рочестерского технологического института подтвердили, что это действительно осуществимо. Они разработали новый тип фононного лазера, который способен точно контролировать колебания на наноуровне.
Первый шаг был сделан еще в 2019 году, когда профессор Ник Вамивакас и его команда продемонстрировали фононный лазер, который удерживал крошечные вибрации с помощью оптического пинцета в вакууме. Тем не менее, для практического использования было необходимо решить одну из распространенных проблем всех лазеров — шум. Нежелательные колебания мешают сигналу и уменьшают точность измерений.
«Для невооруженного глаза лазер выглядит как ровный луч, но на самом деле в нем происходит множество колебаний, создающих шум при измерениях, — объясняет Вамивакас. — Воздействуя на фононный лазер светом определенным образом — подталкивая и притягивая — мы можем значительно уменьшить эти колебания».
Для подавления шума команда использовала метод сжатия. Суть этого подхода заключается в том, что естественные тепловые колебания фононного лазера целенаправленно уменьшаются, что позволяет выполнять значительно более точные измерения. По словам Вамивакаса, такой метод способен измерять ускорение с большей точностью, чем традиционные световые лазеры или радиочастотные технологии.
Зачем это необходимо? Фононные лазеры с повышенной точностью могут стать мощными инструментами для измерений гравитации и других сил. Одним из перспективных направлений применения являются системы навигации. Современные GPS-системы зависят от спутников, что делает их уязвимыми к помехам и подавлению сигналов. Ученые уже предложили концепцию квантовых компасов — высокоточных навигационных устройств, которые функционируют полностью автономно и не подвержены подавлению сигнала. Фононные лазеры могут приблизить эту идею к воплощению в реальность.
Помимо практических задач, данная технология поможет исследовать фундаментальные вопросы физики — от поведения частиц на квантовом уровне до природы гравитации. Таким образом, маленькие «порции вибрации», укрощенные светом, могут оказаться ключом не только к новым технологиям, но и к более глубокому пониманию устройства Вселенной.
Фото: hi-tech.mail.ru