Созданы звуковые лазеры нового типа

Две независимые группы исследователей почти одновременно представили работоспособные прототипы устройств, испускающих когерентные ультразвуковые волны аналогично тому, как лазеры излучают свет. Один из этих "звуковых лазеров" (или "сазеров" — sasers), построенный в США, выдаёт "концентрированный" звук с частотой 21 мегагерц, другой же (британский) — более 400 ГГц.

В "сазерах" вместо привычных когерентных фотонов рождаются квазичастицы фононы (на картинке) — условно говоря, кванты звука, действующие аналогично квантам света (иллюстрация Istituto Nazionale di Fisica Nucleare).

В опытном образце, сконструированном физиками из Калифорнийского технологического института (Caltech), используется пара отстоящих друг от друга на небольшое расстояние кремниевых оптических резонаторов в виде торов. Их внешний диаметр составляет около 63 микрометров, а внутренние диаметры разнятся — 12,5 и 8,7 мкм.

В резонаторы, связанные оптическим волокном, подаётся лазерный луч. При этом фотоны в системе могут перепрыгивать между двумя энергетическими уровнями. Изменяя расстояние между резонаторами, можно настроить разницу частот этих уровней так, чтобы она соответствовала акустическому резонансу той же самой системы. В таком случае при переходе достаточного числа фотонов на "верхний уровень" под воздействием лазера накачки они будут "распадаться" на низкочастотные фотоны "нижнего уровня" и искомые когерентные фононы.

Схема эксперимента калифорнийских физиков с двумя микрорезонаторами и оптоволокном (выделено синим). В ходе опыта излучение лазера накачки на длине волны 1550 нанометров подавалось по оптоволокну к резонаторам, которые генерировали звук на частоте в десятки мегагерц (иллюстрация Alan Stonebraker).

Более подробно об установке рассказывается в опубликованном Physical Review Letters материале (также статью можно прочесть в виде PDF-документа).

Физики из Ноттингемского университета (NU) также представили свой вариант "звукового лазера". В их устройстве звук проходит сквозь так называемую сверхрешётку — чередующиеся слои полупроводников (арсениды галлия и алюминия) толщиной всего в несколько атомов.

Подобно фотонам в лазере, фононы так же лавинообразно накапливаются под воздействием дополнительной энергии и многократно отражаются внутри слоёв сверхрешётки, пока не покидают структуру. При этом механизм генерации механических колебаний тут иной, нежели в американском "сазере".

Ключевой момент – слои арсенида галлия содержат так называемые квантовые ямы (quantum wells) — своеобразные наноловушки для электронов, возбуждаемых лазерным лучом. Электроны последовательно туннелируют из одной ямы в другую, при этом происходит смена энергетического уровня, и часть энергии электронов переходит в фононы.

Британские специалисты (на картинке схема их "сазера") делают ставку на улавливание электронов полупроводниковыми квантовыми ямами с последующим излучением фононов (иллюстрация Alan Stonebraker).

Механизм связи фотонов и "квантов звука" тут схож с механизмом электрического сопротивления в проводниках, но если в последних атомы решётки раскачиваются хаотично (что проявляется в нагреве материала), то в британском "сазере" получаются когерентные акустические волны.

Детище британских физиков описано в том же номере Physical Review Letters, что и статья их коллег (полный текст материала доступен в PDF-документе).

Обе группы в серии опытов показали, что их устройства действительно генерируют когерентное звуковое излучение. Учёные утверждают, что фононные лазеры ждёт перспективное будущее. Известно, что звуковые волны распространяются примерно на пять порядков медленнее скорости света, соответственно, меньше и длина звуковой волны аналогичной частоты. А это означает возможность выполнять высокоточные измерения при неразрушающем контроле материалов. Пригодится новинка и в компьютерных технологиях, сверхточных сканерах в аэропортах и так далее.

Развёрнутый комментарий к обоим исследованиям опубликовал в журнале Physics наш бывший соотечественник и профессор университета Джона Хопкинса Яков Хургин (Jacob B. Khurgin).