Professor Konstantin Arutyunov från HSE Tikhonov Moscow Institute of Electronics and Mathematics (MIEM HSE), tillsammans med kinesiska forskare, har utvecklat en grafenbaserad mekanisk resonator, där koherent emission av ljudenergikvanta, eller fononer, har inducerats. Sådana anordningar, kallade fononlasrar, har stor potential för tillämpning inom informationsbehandling, samt klassisk och kvantavkänning av material. Studien publiceras i tidskriften Optik Express .

Med en analogi med fotoner, kvanta av det elektromagnetiska spektrumet, det finns också partiklar av ljudenergi, fononer. Faktiskt, dessa är artificiellt introducerade objekt i fysiken - kvasipartiklar, som motsvarar vibrationer i materiens kristallgitter.

Vissa ämnen, när de bestrålas, sänder ut fotoner med samma våglängd, fas, och polarisering. Denna process, kallas stimulerad emission, förutspåddes av Albert Einstein för över ett sekel sedan och är grunden för enheten vi alla känner till – lasern. De första lasrarna konstruerades för ungefär sextio år sedan, och de har blivit fast etablerade i våra liv på olika områden.

En liknande process, involverar emission av "identiska" fononer, ligger bakom en enhet som kallas, i analogi, en fononlaser, eller saser. Faktiskt, det förutspåddes samtidigt som lasrar, men endast ett fåtal experimentella insikter har utvecklats under en lång tidsperiod, och ingen av dem har använts i stor utsträckning i branschen.

Magnesiumjoner, halvledare, kompositsystem med mikrohåligheter, elektromekaniska resonatorer, nanopartiklar, och många andra substanser och system har använts som aktiva medier för fononlasrar under det senaste decenniet. Till skillnad från tidigare studier, den aktuella studien använde grafen för att skapa koherenta akustiska excitationer. På grund av grafens unika egenskaper, sådana resonatorer kan potentiellt användas i stor utsträckning.

Grafenresonatorn producerades genom mikrolitografi:en fotokänslig polymerfilm avsattes på ett kiselsubstrat. Med hjälp av ultraviolett ljus, en viss struktur "ritas" på underlaget, som sedan tillåter bildandet av ett upprepande system av mikrohålrum med hjälp av plasmabehandling. Det behandlade substratet är täckt med ett lager av grafen, och detta system av "trummor" beter sig som en resonator, dvs den förstärker yttre vibrationer om de genereras med en viss frekvens.

Om en sådan "trumma" bestrålas med laserljus vid en specifik våglängd, fotoner reflekteras upprepade gånger mellan kiselunderlaget och grafenet, därigenom bildar optiska kaviteter där mekaniska vibrationer av lämplig frekvens alstras.

"Experimentellt, vi har undersökt en nanostruktur, som är ett fast membran gjord av ett monoatomiskt lager av kol, eller en grafen. Vibrationer av atomer, eller fononer, aktiverades i den genom exponering för extern optisk strålning, " säger Arutyunov. "Forskningen förväntas fortsätta, eftersom det är av stort intresse både för fysik av ultrasmå föremål och har potential att skapa en ny generation kvantoptomekaniska sensorer och givare."