Изобретение лазеров в 1960-х годах предоставило новые перспективы для научных исследований и их внедрения в быту — от сканеров в супермаркетах до лазерной коррекции зрения. Традиционные лазеры воздействуют на фотоны, которые являются отдельными частицами света, однако за последние 20 лет ученые разработали лазеры, способные управлять другими основополагающими частицами, включая фононы — дискретными единицами вибрации или звука. Возможность управления фононами может расширить потенциал применения лазеров, в частности, благодаря использованию уникальных квантовых характеристик, таких как квантовая запутанность.
Новый лазер на сжатых фононах, разработанный исследователями Рочестерского университета и Рочестерского технологического института, позволяет точно управлять фононами на наноуровне. Это может дать новое понимание природы гравитации, ускорения частиц и квантовой физики. В статье в Nature Communications исследователи описывают, как заставить отдельные частицы вести себя подобно лазеру.
Ник Вамивакас, профессор оптической физики, работающий в Институте оптики Рочестерского университета, изначально, он и его коллеги впервые представили функционирование фононного лазера, используя оптический пинцет для удержания и подъема фононов в вакууме в 2019 году. Для применения данной технологии в задачах высокоточных измерений необходимо было решить принципиальную проблему, свойственную как фотонным, так и фононным лазерам: наличие шума, представляющего собой нежелательные помехи, которые усложняют получение достоверных данных.
«Несмотря на то, что визуально лазерный луч кажется однородным, он фактически демонстрирует существенные колебания, приводящие к шуму при использовании лазеров для измерений, — отмечает Вамивакас. — Воздействие на фононный лазер светом, применяемым особым образом, позволяет существенно снизить эти колебания».
Благодаря проведенным исследованиям, ученым удалось снизить или полностью устранить тепловой шум, который характерен для фононного лазера. Это позволило добиться большей точности измерений ускорения по сравнению с методами, использующими фотонные лазеры или радиочастотные сигналы.
Вамивакас считает, что фононные лазеры могут быть применены для получения высокоточных измерений гравитации и других сил, что имеет значение для навигационных систем. Квантовые компасы способны предоставить более точную и надежную замену GPS-навигации, исключая необходимость использования спутников.
[Фото: Фотография Университета Рочестера / Джей Адам Фенстер ]