Laser af lyd lover at måle ekstremt små fænomener

De fleste mennesker kender optiske lasere gennem deres erfaring med laserpointer. Men hvad med en laser lavet af lydbølger?

Det, der gør optisk laserlys anderledes end en pære eller solen, er, at alle lysbølgerne, der kommer fra det, bevæger sig i samme retning og stort set er i perfekt trin med hinanden. Det er derfor, at strålen, der kommer ud af laserpegeren, ikke spredes i alle retninger.

I modsætning, stråler fra solen og lys fra en pære går i alle retninger. Dette er en god ting, for ellers ville det være svært at belyse et værelse; eller endnu værre, Jorden modtager muligvis ikke sollys. Men at holde lysbølgerne i trin - fysikere kalder det sammenhæng - er det, der gør en laser speciel. Lyd er også lavet af bølger.

For nylig har der været betydelig videnskabelig interesse i at skabe fononlasere, hvor svingninger af lysbølger erstattes af vibrationer fra en lille fast partikel. Ved at generere lydbølger, der er perfekt synkroniseret, vi fandt ud af, hvordan man laver en fononlaser - eller en "laser til lyd".

I arbejde offentliggjorde vi for nylig i tidsskriftet Natur fotonik , vi har konstrueret vores fononlaser ved hjælp af svingninger af en partikel - cirka hundrede nanometer i diameter - svævet ved hjælp af en optisk pincet.

Bølger synkroniseret

En optisk pincet er simpelthen en laserstråle, der går gennem en linse og fanger en nanopartikel i luften, som traktorbjælken i "Star Wars". Nanopartiklen forbliver ikke stille. Det svinger frem og tilbage som et pendul, langs retningen af ​​indfangningsstrålen.

Da nanopartiklen ikke er fastspændt til en mekanisk understøtning eller knyttet til et substrat, den er meget godt isoleret fra omgivelserne. Dette gør det muligt for fysikere som os at bruge det til at mærke svag elektrisk, magnetiske og tyngdekræfter, hvis virkninger ellers ville være tilsløret.

For at forbedre sanseevnen, vi bremser eller "køler" nanopartikelbevægelsen. Dette gøres ved at måle partikelens position, når den ændrer sig med tiden. Vi sender derefter disse oplysninger tilbage til en computer, der styrer strømmen i fangststrålen. Ved at variere fangstkraften kan vi begrænse partiklen, så den bremses. Denne opsætning er blevet brugt af flere grupper rundt om i verden i applikationer, der ikke har noget at gøre med lydlasere. Vi tog derefter et afgørende skridt, der gør vores enhed unik og er afgørende for at bygge en fononlaser.

Dette indebar modulering af indfangningsstrålen for at få nanopartiklen til at svinge hurtigere, giver laserlignende adfærd:De mekaniske vibrationer i nanopartiklen frembragte synkroniserede lydbølger, eller en fononlaser.

Phonon -laseren er en serie af synkroniserede lydbølger. En detektor kan overvåge fononlaseren og identificere ændringer i mønsteret af disse lydbølger, der afslører tilstedeværelsen af ​​en tyngdekraft eller magnetisk kraft.

Det kan se ud til, at partiklen bliver mindre følsom, fordi den svinger hurtigere, men effekten af ​​at have alle svingningerne synkroniseret overvinder faktisk denne effekt og gør den til et mere følsomt instrument.

Mulige anvendelser

Det er klart, at optiske lasere er meget nyttige. De bærer information over optiske fiberkabler, læse stregkoder i supermarkeder og køre atomure, som er afgørende for GPS.

Vi udviklede oprindeligt fononlaseren som et værktøj til at detektere svage elektriske, magnetiske og gravitationsfelter, som påvirker lydbølgerne på en måde, vi kan registrere. Men vi håber, at andre vil finde nye anvendelser til denne teknologi inden for kommunikation og sansning, såsom massen af ​​meget små molekyler.

På den grundlæggende side, vores arbejde udnytter den nuværende interesse i at teste kvantefysiske teorier om adfærd for samlinger af milliarder atomer - omtrent det antal, der er indeholdt i vores nanopartikel. Lasere er også udgangspunktet for at skabe eksotiske kvantetilstande som den berømte Schrodinger -kattestat, som gør det muligt for et objekt at være to steder på samme tid. Selvfølgelig kan de mest spændende anvendelser af den optiske pincet phonon laser meget vel være dem, vi ikke i øjeblikket kan forudse.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.