Специалисты создали новый вид лазера, вместо света фокусирующий звук

Изображение контура, лежащего в основе звукового лазера, полученное с помощью электронного микроскопа

Используя звуковой эмиттер нанометрового масштаба, учёным удалось сконструировать лазер, который использует звуковые волны вместо света.

Поскольку слово «лазер» — это акроним от английского «Усиление света посредством вынужденного излучения», то новое устройство, использующее частицы звука под названием фононы, корректно называть фазером. Подобные устройства могут когда-нибудь найти применение в ультразвуковых медицинских исследованиях, в деталях компьютеров, высокоточных измерениях и многих других областях.

Первый звуковой лазер был построен в 2010 году, когда учёные сумели заставить фононы двигаться когерентно. Но эти первые устройства были гибридными моделями, использовавшими свет от традиционного лазера для создания когерентного звукового излучения. И вот теперь учёным удалось избавиться от оптической части системы.

В традиционных лазерах группа электронов в газе или кристалле одномоментно возбуждается. Когда они возвращаются в своё исходное низкоэнергетическое состояние, они испускают свет специфической длины волны, который затем фокусируется в луч системой зеркал.

Узкая звуковая частота, производимая фазером

Звуковой лазер работает по тому же принципу. Механический осциллятор возбуждает группу фононов, которые затем возвращаются в своё исходное состояние и отдают свою энергию обратно в устройство. Эта энергия заставляет фазер вибрировать на своей базовой частоте, но в очень узкой полосе длины волны. Звуковой лазер производит фононы с частотой 170 килогерц, далеко за пределами слышимого человеком диапазона, который ограничен примерно 20 килогерцами. Всё устройство интегрировано в контур размерами примерно 1 на 0,5 сантиметра.

Существенным отличием от лазера является то, что лазер может распространяться в вакууме, так что лазерный луч может быть направлен из точки своей генерации куда угодно. Фононы требуют для перемещения проводящей среды, а это означает, что волны фазера не могут покинуть своего устройства всё время своего существования.

«Мы утратим возможность генерации, если сделаем это», говорит соразработчик фазера инженер Имран Махбуб из «NTT Basic Research Laboratories» в Японии. «Так что нам необходимо найти способ сконструировать резонатор, который позволит нам передавать вибрации в виде энергии».

Одним из важных применений фазера может стать то, что часть этого устройства переводит механическую вибрацию в осциллирующий электрический сигнал, который может служить микроскопическими часами. Большинство современных электронных устройств использует для этих целей кристаллы кварца, но они достаточно велики и потребляют большое количество энергии. Микроскопический звуковой лазер может предоставить тот же эффект и заменить кварцевые кристаллы, говорит Махбуб.

Другими потенциальными применениями могут стать использование ультразвуковых частот для сканирования предметов и людей для нужд безопасности или медицинских обследований, а также сверхточные измерения.

Оптические лазеры нашли сотни областей применения в нашей современной жизни, в компьютерной электронике, науке, медицине, и военных технологиях. Но их мощь не была очевидной, когда они впервые появились полвека назад. Первая статья о лазерах, использующих видимую длину волны, была отвергнута научным журналом, редакторы которого посчитали, что это пустая трата времени.

Но когда она наконец-то была опубликована в журнале «Nature», это исследование «открыло новую область в оптике и коммуникациях», говорит Махбуб. «Вполне возможно, что мы сейчас стоим на пороге чего-то подобного».