Ce au folosit fizicienii pentru a dezvolta lasere mai puternice?

O echipă de fizicieni a făcut un pas înainte spre crearea unor lasere mai puternice din sunet, nu din lumină, deschizând calea către numeroase aplicații practice, dincolo de simpla fascinație științifică.

Laserele tradiționale sunt deja impresionante, fiind dezvoltate relativ recent, în anii 1960. „Laserele produc un fascicul îngust de lumină în care toate undele de lumină au lungimi de undă foarte similare. Undele laserului călătoresc împreună cu vârfurile aliniate, adică în fază. Acesta este motivul pentru care fasciculele laser sunt foarte înguste, foarte strălucitoare și pot fi concentrate într-un punct extrem de mic”, explică NASA.

Deși sunetul și lumina au diferențe esențiale (de exemplu, sunetul se propagă doar prin medii precum fluidele și solidele), fizicienii lucrează la crearea unor lasere bazate pe sunet, manipulând fononii.

Ce sunt fononii?

„La fel cum fotonii alcătuiesc fasciculele de lumină, particule cuantice indivizibile numite fononi formează un fascicul de sunet. Aceste particule apar din mișcarea colectivă a trilioanelor de atomi, la fel cum un ‘val de fani’ dintr-un stadion este cauzat de mișcarea a mii de spectatori. Când asculți o melodie, auzi un flux de astfel de mici particule cuantice”, explică Andrew N. Cleland, profesor la University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (SUA), într-un articol din 2023.

„Inițial concepuți pentru a explica capacitățile termice ale solidelor, se prezice că fononii respectă aceleași reguli de mecanică cuantică precum fotonii. Totuși, tehnologia pentru generarea și detectarea fononilor individuali a rămas în urmă față de cea pentru fotoni”, continuă profesorul.

Putem folosi sunetul pentru a face lasere mai puternice?

În noul studiu, oamenii de știință au utilizat o microsferă din oxid de siliciu (SiO2), pe care au suspendat-o folosind fascicule de lumină. Aceasta a început să vibreze, producând un sunet intern, precum un bip de frecvență înaltă, dar și sunete dincolo de spectrul auditiv uman. Ulterior, cercetătorii au manipulat microsfera folosind un câmp electric alternativ pentru a provoca rezonanța, amplificând undele sonore de până la o mie de ori.

„Prin aplicarea unei injecții electronice monocrome în acest sistem levitat, se poate obține o amplificare uriașă a armonicilor fononilor de ordin superior, cu o strălucire amplificată de peste 3 ordine de mărime și o lățime de bandă redusă cu 5 ordine”, explică echipa în lucrare.

Experimentul s-a desfășurat în vid, pentru a măsura mai bine undele sonore închise în interiorul microsferei, iar studiul reprezintă un pas important către crearea unor lasere mai puternice, bazate pe sunet, utilizabile în diverse domenii, de la explorarea și cartografierea oceanului prin sunet, până la avansarea tehnicilor de imagistică…