De meeste mensen zijn bekend met optische lasers door hun ervaring met laserpointers. Maar hoe zit het met een laser gemaakt van geluidsgolven?

Wat optisch laserlicht anders maakt dan een gloeilamp of de zon, is dat alle lichtgolven die eruit komen in dezelfde richting bewegen en vrijwel perfect op elkaar aansluiten. Dit is de reden waarom de straal die uit de laserpointer komt, zich niet in alle richtingen uitspreidt.

In tegenstelling tot, stralen van de zon en licht van een gloeilamp gaan alle kanten op. Dat is maar goed ook, want anders zou het moeilijk zijn om een ​​ruimte te verlichten; of erger nog, de aarde ontvangt mogelijk geen zonlicht. Maar de lichtgolven in de pas houden – natuurkundigen noemen het coherentie – is wat een laser bijzonder maakt. Geluid bestaat ook uit golven.

De laatste tijd is er veel wetenschappelijke belangstelling voor het maken van fonon-lasers waarin de trillingen van lichtgolven worden vervangen door de trillingen van een klein vast deeltje. Door geluidsgolven te genereren die perfect gesynchroniseerd zijn, we ontdekten hoe we een fonon-laser konden maken - of een 'laser voor geluid'.

In werk dat we onlangs in het tijdschrift hebben gepubliceerd Natuurfotonica , we hebben onze fononlaser geconstrueerd met behulp van de oscillaties van een deeltje - ongeveer honderd nanometer in diameter - dat met een optisch pincet wordt zwevend gehouden.

Golven synchroon

Een optische pincet is gewoon een laserstraal die door een lens gaat en een nanodeeltje in de lucht vangt, zoals de trekstraal in 'Star Wars'. Het nanodeeltje blijft niet stil. Het zwaait heen en weer als een slinger, in de richting van de vangbalk.

Aangezien het nanodeeltje niet aan een mechanische ondersteuning is geklemd of aan een substraat is vastgemaakt, het is zeer goed geïsoleerd van zijn omgeving. Hierdoor kunnen natuurkundigen zoals wij het gebruiken voor het detecteren van zwakke elektrische, magnetische en zwaartekrachtskrachten waarvan de effecten anders zouden worden verdoezeld.

Om het waarnemingsvermogen te verbeteren, we vertragen of "koelen" de beweging van nanodeeltjes. Dit wordt gedaan door de positie van het deeltje te meten terwijl het met de tijd verandert. We voeren die informatie vervolgens terug in een computer die de stroom in de vangstraal regelt. Door de vangkracht te variëren, kunnen we het deeltje inperken zodat het vertraagt. Deze opstelling is door verschillende groepen over de hele wereld gebruikt in toepassingen die niets te maken hebben met geluidslasers. Vervolgens hebben we een cruciale stap gezet die ons apparaat uniek maakt en essentieel is voor het bouwen van een fononlaser.

Dit omvatte het moduleren van de vangstraal om het nanodeeltje sneller te laten oscilleren, laserachtig gedrag opleveren:de mechanische trillingen van het nanodeeltje produceerden gesynchroniseerde geluidsgolven, of een fonon-laser.

De fononlaser is een reeks gesynchroniseerde geluidsgolven. Een detector kan de fononlaser bewaken en veranderingen in het patroon van deze geluidsgolven identificeren die de aanwezigheid van een zwaartekracht of magnetische kracht onthullen.

Het lijkt erop dat het deeltje minder gevoelig wordt omdat het sneller oscilleert, maar het effect van het synchroon hebben van alle trillingen overwint dat effect en maakt het een gevoeliger instrument.

Mogelijke toepassingen

Het is duidelijk dat optische lasers zeer nuttig zijn. Ze dragen informatie over glasvezelkabels, lees streepjescodes in supermarkten en laat de atoomklokken draaien die essentieel zijn voor GPS.

We hebben de fononlaser oorspronkelijk ontwikkeld als een hulpmiddel voor het detecteren van zwakke elektrische, magnetische en zwaartekrachtsvelden, die de geluidsgolven beïnvloeden op een manier die we kunnen detecteren. Maar we hopen dat anderen nieuwe toepassingen zullen vinden voor deze technologie in communicatie en detectie, zoals de massa van zeer kleine moleculen.

Aan de fundamentele kant, ons werk maakt gebruik van de huidige interesse in het testen van kwantumfysica-theorieën over het gedrag van verzamelingen van miljarden atomen - ongeveer het aantal in ons nanodeeltje. Lasers zijn ook het startpunt voor het creëren van exotische kwantumtoestanden zoals de beroemde Schrödinger-kattenstaat, waardoor een object op twee plaatsen tegelijk kan zijn. Natuurlijk zijn de meest opwindende toepassingen van de optische pincet-phononlaser misschien wel degene die we momenteel niet kunnen voorzien.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.