Классический лазер работает с фотонами — частицами света, которые он заставляет двигаться согласованно. Но в последние десятилетия ученые задались вопросом: можно ли проделать то же самое с другими частицами? Например, с фононами — квантами колебаний, мельчайшими «порциями» вибрации и звука. Управление фононами открывает доступ к необычным квантовым эффектам и принципиально новым возможностям измерений.
Специалисты Рочестерского университета и Рочестерского технологического института доказали, что это действительно возможно. Они создали новый тип фононного лазера, способный точно контролировать колебания на наноуровне.
Первый шаг был сделан еще в 2019 году, когда профессор Ник Вамивакас и его коллеги продемонстрировали фононный лазер, который удерживал крошечные вибрации с помощью оптического пинцета в вакууме. Однако для практического применения нужно было сначала решить проблему, общую для всех лазеров, — шум. Нежелательные колебания мешают сигналу и снижают точность измерений.
«Для невооруженного глаза лазер выглядит как ровный луч, но на самом деле в нем происходит множество колебаний, которые создают шум при измерениях, — объясняет Вамивакас. — Воздействуя на фононный лазер светом определенным образом — подталкивая и притягивая, — мы можем значительно уменьшить эти колебания».
Для подавления шума команда применила технику сжатия (squeezing). Суть этого метода в том, что естественные тепловые колебания фононного лазера целенаправленно уменьшаются, а это позволяет проводить гораздо более точные измерения. По словам Вамивакаса, такой подход способен измерять ускорение точнее, чем методы, основанные на обычных световых лазерах или радиочастотных технологиях.
Зачем это нужно? Фононные лазеры с повышенной точностью могут стать мощными инструментами для измерения гравитации и других сил. Одно из перспективных применений — навигация. Современные системы GPS зависят от спутников, а значит, уязвимы для помех и глушения. Ученые уже предложили концепцию квантовых компасов — высокоточных навигационных приборов, которые работают полностью автономно и не боятся подавления сигнала. Фононные лазеры могут приблизить эту идею к воплощению в реальность.
Кроме практических задач, технология поможет изучить фундаментальные вопросы физики — от поведения частиц на квантовом уровне до природы гравитации. Так что маленькие «порции вибрации», укрощенные светом, могут оказаться ключом не только к новым технологиям, но и к более глубокому пониманию устройства Вселенной.
Ранее ученые создали по квантовым принципам лазерную систему, которая невероятно точно измеряет расстояния.