Новый «фононный лазер» позволит измерять гравитацию с рекордной точностью

Фононные лазеры используются для захвата и левитации наночастиц в лаборатории Ника Вэмивакаса, профессора оптической физики Университета Рочестера. Фото: University of Rochester / J. Adam Fenster

С момента своего изобретения в 1960-х годах лазеры произвели революцию как в науке, так и в повседневной жизни, обеспечивая работу всего — от сканеров в супермаркетах до операций по коррекции зрения. Традиционные лазеры работают, контролируя фотоны — отдельные частицы света. Однако в последние десятилетия исследователи расширили эту идею на другие типы частиц, включая фононы — крошечные единицы вибрации или звука. Овладение фононами может открыть совершенно новые возможности, включая доступ к необычным квантовым эффектам, таким как запутанность.

Учёные из Университета Рочестера и Рочестерского технологического института разработали новый тип сжатого фононного лазера, который может точно контролировать эти вибрации в наномасштабе. Такой уровень контроля может помочь исследователям изучить фундаментальные вопросы о гравитации, движении частиц и квантовом поведении. Их выводы, опубликованные в журнале Nature Communications, описывают, как они заставили эти мельчайшие вибрации действовать согласованно, подобно лазеру.

Преодоление шума в фононных лазерах

Ник Вэмивакас, профессор оптической физики в Институте оптики Университета Рочестера, ранее продемонстрировал фононный лазер в 2019 году, захватывая и левитируя вибрации с помощью оптического пинцета в вакууме. Хотя это был большой шаг вперёд, для того чтобы сделать систему полезной для точных измерений, необходимо было решить серьёзную проблему, общую для всех лазеров: шум. Эти нежелательные флуктуации мешают сигналам и ограничивают точность.

«Хотя лазер невооружённым глазом выглядит как устойчивый луч, на самом деле в нём много флуктуаций, которые создают шум при использовании лазеров для измерений, — говорит Вэмивакас. — Правильно воздействуя на фононный лазер светом, мы можем значительно уменьшить эти флуктуации».

Снижение шума для большей точности

Чтобы решить эту проблему, команда использовала технику, известную как сжатие, для уменьшения естественного теплового шума, присутствующего в фононном лазере. Снижение этого шума позволяет проводить гораздо более точные измерения. По словам Вэмивакаса, этот подход может измерять ускорение точнее, чем методы, основанные на традиционных световых лазерах или радиочастотных технологиях.

Будущее применение в навигации и физике

Благодаря повышенной точности фононные лазеры могут стать мощным инструментом для измерения гравитации и других сил с исключительной точностью. Эта способность может сыграть важную роль в будущих навигационных системах. Исследователи предложили квантовые компасы в качестве высокоточных, «неглушимых» альтернатив GPS, которые не зависят от спутников, и фононные лазеры могут помочь приблизить такие концепции к реальности.

Исследование было поддержано Национальным научным фондом США.

Источники: sciencedaily.com, University of Rochester.