När du slår på ett enkelt trumskinn, det kommer säkert att göra ett ljud, men du skulle förmodligen inte kalla det ljudet för en musikton.

"Du slog den, och den genererar alla dessa vibrationer i slumpmässiga relationer till varandra. Som ett resultat, du får en duns, sa Frank Wise, Samuel B. Eckert professor i teknik vid institutionen för tillämpad och teknisk fysik.

Varför slår en trumma, när klarinetter och gitarrer kan producera toner och ackord? Skillnaden är dimensionalitet:I ett smalt rör eller spänd sträng, svängningar av luften inuti röret eller av strängen är endimensionella. I kontrast, ett trumskinn är tvådimensionellt, och dess vibrationer är vanligtvis mer komplicerade.

"Men tänk om alla vibrationer från trumskinnet var låsta ihop, " sa han. "Då skulle du få en annan sak - en lapp."

Det är i huvudsak vad Wise och doktoranden Logan Wright har gjort med sitt val av instrument:lasern. Det är ämnet för deras tidning, "Spatiotemporal Mode-Locking i Multimode Fiber Lasers, " publicerad 6 oktober in Vetenskap .

Demetrios Christodoulides bidrog också, professor i optik och fotonik vid University of Central Florida. Wise och Wright har lämnat in en patentansökan för denna potentiellt revolutionerande lasermetod.

Lasrarna som de flesta känner till är resultatet av fotoner (ljuspartiklar) som verkar i koherens – med andra ord, ljusvågornas toppar och dalar är synkroniserade. Vanligt ljus, som den från en glödlampa, omfattar flera, icke-koherenta våglängder i tre dimensioner, och sprids därmed.

Lägena för en laserresonator är tredimensionella, också, med variationer längs resonatorns axel samt två tvärgående dimensioner - upp och ner, och sida till sida.

Men den vanliga lasern – som den som finns i en laserpekare – begränsar driften till ett enda tvärgående läge. "Inget förändras i de tvärgående dimensionerna, "Sade Wise, "så det är i grunden en endimensionell enhet."

Det betyder inte att de andra ljusmönstren inte finns där, och Wises grupp har bevisat förmågan att låsa de andra "färgerna, " eller våglängder, tillsammans. Och inte bara är alla våglängder låsta, men så är de olika tredimensionella rumsliga mönstren av laserljus. "Det är låsning av tid och rum, " sa Wise.

"Ljus med höga intensiteter beter sig annorlunda än vad vi är vana vid, "Wright sa. "Vi kunde designa lasern så att denna lägeslåsning sker av sig själv - interaktioner mellan dessa lägen gör faktiskt att ljuset i lasern självorganiserar sig."

Wright kallar detta "världens första tredimensionella lägeslåsta laser, " men vad kan det vara bra för? Några saker, sa Wise och Wright – som båda var snabba med att påpeka att det de har gjort är att demonstrera ett koncept, inte uppfinna ett användbart nytt verktyg. "Det kommer att krävas mycket mer arbete för det, " sa Wise.

Potentiella applikationer inkluderar:

• Superkraftiga lasrar, eftersom ljuset i lasern kan vara mer utspritt och därför toppintensiteten (koncentrationen av energi) kan vara mycket lägre.
• Styra strålens emittans för att skapa ett specifikt mönster i rum-tid. I teorin, detta kan användas för att först katalysera en reaktion i en komplicerad molekyl med en ljuspuls (för att excitera specifika vibrationer eller energinivåer), registrera sedan detaljer om den reaktionen med en annan puls några femtosekunder (kvadrilliondelar av en sekund) senare. "Detta kan vara användbart för att studera reaktioner av mycket komplexa molekyler, som finns i biologiska system, " sa Wise.

Wise och Wright tror att deras idé kan driva fram en teknik som i stort sett har varit låst i ett läge i mer än 50 år, sedan laserns uppfinning.

"Precis som du skulle bli förvånad över att höra en ton komma ut ur en trumma, "Sade Wise, "Folk kommer att bli förvånade över att höra en spatiotemporal puls komma ut ur en laser. Vi använder frihetsgrader som inte hade använts tidigare."