Fyzikálnímu týmu z University of Rochester a z Rochester Institute of Technology se podařilo vytvořit fononový laser, jehož základem jsou skleněné nanokuličky udržované ve vakuu optickou pinzetou (dipólovou pastí). Unikátní prvek pracuje v mezoskopické oblasti hmoty a může být užitečný nejen při řešení fundamentálních problémů kvantové mechaniky, ale také v přesných metrologických aplikacích.
Optický laser, který příští rok oslaví šedesátiny, vnesl revoluci do mnoha oborů. Vědci doufají, že podobný význam jednou bude mít i fononový laser. Na jeho vývoji už několik let pracují fyzici z amerického Rochesteru.
Fonon je kvazičástice, která v krystalové mřížce šíří vibrační kvantum. Vibrace se mohou přenášet od buňky k buňce, a tak vytvářet dojem pohyblivé částice. Ve fononovém laseru jsou fonony zesilovány a generují vysoce koherentní paprsek zvuku stejným způsobem, jakým optické lasery produkují vysoce koherentní svazek světelného záření.
Tým z Rochesteru vytvořil zařízení využívající tzv. optickou pinzetu. Tu původně vyvinul americký fyzik Arthur Ashkin a v roce 2018 za ni dostal Nobelovu cenu. Optická pinzeta, nebo také dipólová past, využívá mechanického účinku fokusovaného laserového záření k prostorovému zachycení a přemisťování částic o velikosti v řádu mikro až nanometrů.
Nový fononový laser, jehož frekvence může být laditelná, je založen na oscilacích těžiště silikonových nanokuliček vytvořených fonony. Nanokuličky se zachycují ve vakuové komůrce optické dipólové pasti. Během experimentu vědci použili zpětnovazební techniku založenou na rozptylu světla na nanokuličkách. Při měření rozptýleného světla mohli měnit dráhu oscilujících kuliček a zvyšovat výstupní energii měřenou na fononech.
Pokud se experiment provádí přesně, je možné pozorovat, jak se oscilace, začínající s určitou amplitudou, postupně zvětšují, až se začne projevovat mechanický pohyb, který je v podstatě analogií toho, co se děje po zapnutí běžného optického laseru. Vědci takto mohou udržovat nanokuličky v pasti v takové poloze, která umožňuje vytvoření fononového laseru. Zpětnovazební signály následně řídí dynamiku těžiště kuličky. Jeden signál zajišťuje nelineární parametrické chlazení těžiště fononů, zatímco druhý indukuje jeho lineární zesílení.
Fyzikům z Rochesteru se navíc podařilo vypracovat techniku, která umožňuje řízení populace stabilních koherentních fononů, a to v podstatě až do kvantového režimu. Nový laser pracuje v mezoskopickém režimu hmoty, tj. kolem 1 x 10-18 kg. Tím se liší od jiných zařízení, která pracují v mikrorozměrech (1 x 10-9kg), anebo naopak atomových rozměrech (1 x 10-25kg). Novinkou je rovněž to, že fononový laser pracuje s levitujícím objektem, což mu zajišťuje vysoký stupeň mechanického izolování, kterého není možné dosáhnout jiným způsobem.
Díky novému laseru bude možné dosahovat vyšší přesnosti v různých oborech metrologie. Technika navíc není citlivá na strukturní odchylky částic zachycených v optické dipólové pasti, což znamená, že ji lze snadno rozšířit i na jiné objekty, například na jednotlivé elektrony, levitující kapičky či dokonce na biologické organismy.
Fyzici teď chtějí zkoumat možnosti propojení mezi optickými lasery a jejich fononovými příbuznými. Hledají také způsoby, jak by popsaný laser mohl zvýšit přesnost měření v levitujících optomechanických systémech.
Původní práce je uveřejněna v Nature Photonics.
Mohlo by vás zajímat:
Kvantový
internet je zase o něco blíž
Světlo
se může chovat jako magnet
Vědci
na stopě tajemství atomového jádra
Grafen
umožňuje vytvářet superizolační aerogel