De flesta människor är bekanta med optiska lasrar genom sin erfarenhet av laserpekare. Men hur är det med en laser gjord av ljudvågor?

Det som skiljer optiskt laserljus från en glödlampa eller solen är att alla ljusvågor som kommer från den rör sig i samma riktning och är i stort sett i perfekt takt med varandra. Det är därför strålen som kommer ut från laserpekaren inte sprids ut i alla riktningar.

I kontrast, strålar från solen och ljus från en glödlampa går åt alla håll. Detta är bra eftersom det annars skulle vara svårt att belysa ett rum; eller ännu värre, jorden kanske inte får något solljus. Men att hålla ljusvågorna i takt – fysiker kallar det koherens – är det som gör en laser speciell. Ljud är också gjort av vågor.

Nyligen har det funnits ett stort vetenskapligt intresse för att skapa fononlasrar där ljusvågornas svängningar ersätts av vibrationerna från en liten fast partikel. Genom att generera ljudvågor som är perfekt synkroniserade, vi kom på hur man gör en fononlaser – eller en "laser för ljud."

I arbete publicerade vi nyligen i tidskriften Nature Photonics , vi har konstruerat vår fononlaser med hjälp av svängningarna från en partikel – cirka hundra nanometer i diameter – som svävar med en optisk pincett.

Vågor i synk

En optisk pincett är helt enkelt en laserstråle som går genom en lins och fångar en nanopartikel i luften, som traktorbalken i "Star Wars". Nanopartikeln stannar inte stilla. Den svänger fram och tillbaka som en pendel, längs med fångststrålens riktning.

Eftersom nanopartikeln inte är fastklämd till ett mekaniskt stöd eller förankrat till ett substrat, det är mycket väl isolerat från den omgivande miljön. Detta gör det möjligt för fysiker som oss att använda den för att känna av svag elektrisk, magnetiska och gravitationskrafter vars effekter annars skulle skymmas.

För att förbättra avkänningsförmågan, vi saktar ner eller "kylar" nanopartikelns rörelse. Detta görs genom att mäta partikelns position när den förändras med tiden. Vi matar sedan tillbaka den informationen till en dator som styr kraften i fångststrålen. Genom att variera fångstkraften kan vi begränsa partikeln så att den saktar ner. Denna inställning har använts av flera grupper runt om i världen i applikationer som inte har något att göra med ljudlasrar. Vi tog sedan ett avgörande steg som gör vår enhet unik och är avgörande för att bygga en fononlaser.

Detta innebar att modulera fångststrålen för att få nanopartikeln att svänga snabbare, ger laserliknande beteende:De mekaniska vibrationerna från nanopartikeln producerade synkroniserade ljudvågor, eller en fononlaser.

Fononlasern är en serie synkroniserade ljudvågor. En detektor kan övervaka fononlasern och identifiera förändringar i mönstret för dessa ljudvågor som avslöjar närvaron av en gravitationskraft eller magnetisk kraft.

Det kan tyckas att partikeln blir mindre känslig eftersom den svänger snabbare, men effekten av att ha alla oscillationer synkroniserade övervinner faktiskt den effekten och gör det till ett känsligare instrument.

Möjliga tillämpningar

Det är tydligt att optiska lasrar är mycket användbara. De bär information via optiska fiberkablar, läs streckkoder i stormarknader och kör atomklockorna som är nödvändiga för GPS.

Vi utvecklade ursprungligen fononlasern som ett verktyg för att upptäcka svag elektrisk, magnetiska och gravitationsfält, som påverkar ljudvågorna på ett sätt vi kan upptäcka. Men vi hoppas att andra kommer att hitta nya användningsområden för denna teknik inom kommunikation och avkänning, såsom massan av mycket små molekyler.

På den grundläggande sidan, vårt arbete utnyttjar det nuvarande intresset för att testa kvantfysikteorier om beteendet hos samlingar av miljarder atomer – ungefär det antal som finns i vår nanopartikel. Lasrar är också utgångspunkten för att skapa exotiska kvanttillstånd som den berömda Schrodinger-kattstaten, vilket gör att ett föremål kan vara på två ställen samtidigt. Naturligtvis kan de mest spännande användningsområdena för den optiska pincett-fononlasern vara sådana som vi för närvarande inte kan förutse.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.