Mokslininkai perkėlė lazerių galimybes už šviesos ribų į garso sritį, sukurdami proveržį – „fononų lazerį“, kuris manipuliuoja mažytėmis vibracijomis kvantiniu lygmeniu. Žymiai sumažindami šių sistemų triukšmą, tyrėjai dabar gali matuoti judėjimą ir jėgas precedento neturinčiu tikslumu. Ši pažanga galėtų atverti naujus būdus tirti gravitaciją, tyrinėti kvantinę fiziką ir netgi pakeisti navigaciją naudojant itin tikslias, palydovų neturinčias sistemas.
Naujas „ fononų lazeris“ galėtų išmatuoti gravitaciją stulbinančiu tikslumu ir visiškai pakeisti GPS.
Naujas garso lazeris tiksliai matuoja gravitaciją
Fononų lazeriai naudojami nanodalelėms gaudyti ir levitacijai Nicko Vamivako, Marie C. Wilson ir Joseph C. Wilson optinės fizikos profesoriaus Ročesterio universitete, laboratorijoje. Nuotrauka: Ročesterio universitetas / J. Adam Fenster
Nuo pat jų išradimo septintajame dešimtmetyje lazeriai pakeitė ir mokslą, ir kasdienį gyvenimą, aprūpindami energija viską – nuo maisto prekių parduotuvių skaitytuvų iki regėjimą koreguojančių operacijų. Tradiciniai lazeriai veikia valdydami fotonus, kurie yra atskiros šviesos dalelės. Tačiau pastaraisiais dešimtmečiais tyrėjai išplėtė šią idėją į kitų tipų daleles, įskaitant fononus, kurie yra maži vibracijos arba garso vienetai. Fononų įvaldymas galėtų atverti visiškai naujas galimybes, įskaitant prieigą prie neįprastų kvantinių efektų, tokių kaip susietumas.
Ročesterio universiteto ir Ročesterio technologijos instituto mokslininkai sukūrė naujo tipo suspausto fonono lazerį, kuris gali tiksliai valdyti šias vibracijas nanoskalių matmenyse. Toks valdymo lygis galėtų padėti tyrėjams ištirti esminius klausimus apie gravitaciją, dalelių judėjimą ir kvantinį elgesį. Jų išvados, paskelbtos žurnale „Nature Communications“, aprašo, kaip jie sukūrė šias smulkias vibracijas, kad jos veiktų koordinuotai, lazerio principu.
Fononinių lazerių triukšmo įveikimas
Nickas Vamivakas, fizikos profesorius iš Ročesterio optikos instituto, anksčiau 2019 m. pademonstravo fononinį lazerį, gaudydamas ir levituodamas vibracijas optiniu pincetu vakuume. Nors tai buvo didelis žingsnis į priekį, norint, kad sistema būtų naudinga tiksliems matavimams, reikėjo išspręsti svarbų visiems lazeriams būdingą iššūkį: triukšmą. Šie nepageidaujami svyravimai trukdo signalams ir riboja tikslumą.
„Nors plika akimi lazeris atrodo kaip pastovus spindulys, iš tikrųjų yra daug svyravimų, kurie sukelia triukšmą, kai lazeriai naudojami matavimams“, – sako Vamivakas. „Tinkamai valdydami fononinį lazerį šviesa, galime žymiai sumažinti tą fononinio lazerio svyravimą.“
Triukšmo mažinimas didesniam tikslumui
Norėdama išspręsti šią problemą, komanda panaudojo techniką, vadinamą suspaudimu, kad sumažintų natūralų fononinio lazerio šiluminį triukšmą. Šio triukšmo sumažinimas leidžia atlikti daug tikslesnius matavimus. Pasak Vamivako, šis metodas gali tiksliau išmatuoti pagreitį nei metodai, pagrįsti tradiciniais šviesos lazeriais ar radijo dažnių technologijomis.
Būsimos navigacijos ir fizikos pritaikymo galimybės
Padidinus tikslumą, fononų lazeriai galėtų tapti galingais įrankiais, skirtais gravitacijai ir kitoms jėgoms matuoti išskirtinai tiksliai. Ši galimybė gali atlikti svarbų vaidmenį ateities navigacijos sistemose. Tyrėjai pasiūlė kvantinius kompasus kaip labai tikslias, „netrukdomas“ GPS alternatyvas, kurios nepriklauso nuo palydovų, o fononų lazeriai galėtų padėti tokias koncepcijas priartinti prie realybės.
Tyrimą rėmė Nacionalinis mokslo fondas (the National Science Foundation).
K. Zhang, K. Xiao, M. Bhattacharya, A. N. Vamivakas. A two-mode thermomechanically squeezed phonon laser. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-70564-3