Изобретение лазеров в 1960-х годах дало новые возможности для научных открытий и их применения в повседневной жизни — от сканеров в продуктовых магазинах до операций по коррекции зрения. Обычные лазеры управляют фотонами — отдельными частицами света, — но за последние 20 лет ученые изобрели лазеры, которые управляют другими фундаментальными частицами, в том числе фононами — отдельными частицами вибрации или звука. Управление фононами может открыть перед лазерами еще больше возможностей, например использование уникальных квантовых свойств, таких как квантовая запутанность.
Новый лазер на сжатых фононах, разработанный исследователями Рочестерского университета и Рочестерского технологического института, позволяет точно управлять фононами на наноуровне. Это может дать новое понимание природы гравитации, ускорения частиц и квантовой физики. В статье в Nature Communications исследователи описывают, как заставить отдельные частицы вести себя подобно лазеру.
Ник Вамивакас, профессор оптической физики в Институте оптики Рочестерского университета, и его коллеги впервые продемонстрировали работу фононного лазера, захватив и подняв в воздух с помощью оптического пинцета фононы в вакууме в 2019 году. Чтобы эта технология стала полезной для сверхточных измерений, нужно было преодолеть ключевое препятствие, характерное как для фотонных, так и для фононных лазеров: шум, то есть нежелательные помехи, которые затрудняют точное считывание сигнала.
«Хотя невооруженному глазу кажется, что лазерный луч ровный, на самом деле он подвержен большим колебаниям, которые создают шум при использовании лазеров для измерений, — говорит Вамивакас. — Воздействуя на фононный лазер светом определенным образом, мы можем значительно уменьшить его колебания».
В частности, исследователям удалось подавить или уменьшить тепловой шум, присущий фононному лазеру. Снижение уровня шума позволяет измерять ускорение точнее, чем при использовании фотонных лазеров или радиочастотных волн.
По мнению Вамивакаса, исследователи могут использовать фононный лазер для получения высокоточных данных об измерении гравитации и других сил, что важно для навигации. Квантовые компасы могут стать более точной и надежной альтернативой GPS-навигации, не требующей использования спутников.
