Progrese în dezvoltarea laserelor fononice: sunetul ca sursă de putere

O echipă de fizicieni a realizat un salt semnificativ în crearea unor lasere mai puternice bazate pe sunet, deschizând uși către aplicații practice variate, dincolo de fascinanta lume științifică. Laserele convenționale, dezvoltate în anii 1960, emit fascicule concentrate de lumină, cu undele aliniate în fază, ceea ce le conferă o strălucire și o focalizare excepționale. NASA explică cum aceste lasere funcționează prin producerea unui fascicul îngust de lumină, în care lungimile de undă sunt foarte similare, permițându-le să fie concentrate într-un punct extrem de mic.

În ciuda diferențelor fundamentale dintre sunet și lumină — sunetul propagându-se doar prin medii solide sau fluide — fizicienii lucrează la dezvoltarea laserelor bazate pe sunet, manipulând particulele cuantice numite fononi. Aceste particule, care rezultă din mișcarea colectivă a trilioanelor de atomi, pot fi comparate cu un „val de fani” într-un stadion, unde mișcarea unui grup produce un efect sonor coerent. Andrew N. Cleland, profesor la University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering, explică cum fononii respectă aceleași legi ale mecanicii cuantice ca și fotonii, dar tehnologia pentru generarea și detectarea fononilor individuali a rămas în urmă în comparație cu cea destinată fotonilor.

În cadrul unui nou studiu, cercetătorii au folosit o microsferă din oxid de siliciu (SiO2), suspendată prin fascicule de lumină. Această microsferă a început să vibreze, generând sunete interne, inclusiv sunete cu frecvențe înalte și altele care depășesc spectrul auditiv uman. Ulterior, prin aplicarea unui câmp electric alternativ, fizicienii au reușit să provoace rezonanța, amplificând undele sonore de până la o mie de ori. Această amplificare a fost realizată prin injectarea unei electroni monocromatice în sistemul levitat, permițând obținerea unei străluciri amplificate a armonicilor fononilor de ordin superior.

Experimentele au fost desfășurate în vid pentru a permite o măsurare precisă a undelor sonore captive în interiorul microsferei. Aceasta cercetare reprezintă un pas esențial către dezvoltarea unor lasere fononice mai puternice, cu aplicabilitate în domenii variate, de la explorarea oceanică prin sunet, până la îmbunătățirea tehnicilor de imagistică medicală. Echipa de cercetare subliniază importanța acestor progrese, afirmând că studiul oferă semnale de calitate superioară și mai puternice pentru armonicile fononilor coerenți. Acest lucru deschide posibilități pentru utilizarea laserelor fononice neliniare în aplicații precum piepteni de frecvență fononică, senzori fononici cu bandă largă și diagnostice ultrasonice biomedicale.