La maggior parte delle persone ha familiarità con i laser ottici grazie alla propria esperienza con i puntatori laser. Ma che dire di un laser fatto di onde sonore?

Ciò che rende la luce laser ottica diversa da una lampadina o dal sole è che tutte le onde luminose che emergono da essa si muovono nella stessa direzione e sono praticamente in perfetto passo l'una con l'altra. Ecco perché il raggio che esce dal puntatore laser non si diffonde in tutte le direzioni.

In contrasto, i raggi del sole e la luce di una lampadina vanno in ogni direzione. Questo è un bene perché altrimenti sarebbe difficile illuminare una stanza; o peggio ancora, la Terra potrebbe non ricevere alcuna luce solare. Ma mantenere le onde luminose al passo – i fisici la chiamano coerenza – è ciò che rende speciale un laser. Anche il suono è fatto di onde.

Recentemente c'è stato un notevole interesse scientifico nella creazione di laser a fononi in cui le oscillazioni delle onde luminose sono sostituite dalle vibrazioni di una minuscola particella solida. Generando onde sonore perfettamente sincronizzate, abbiamo scoperto come realizzare un laser fononico o un "laser per il suono".

Nel lavoro che abbiamo recentemente pubblicato sulla rivista Fotonica della natura , abbiamo costruito il nostro laser fononico utilizzando le oscillazioni di una particella – di circa cento nanometri di diametro – levitata con una pinzetta ottica.

Onde sincronizzate

Una pinzetta ottica è semplicemente un raggio laser che passa attraverso una lente e intrappola una nanoparticella a mezz'aria, come il raggio traente in "Star Wars". La nanoparticella non sta ferma. Oscilla avanti e indietro come un pendolo, lungo la direzione del raggio di cattura.

Poiché la nanoparticella non è fissata a un supporto meccanico o legata a un substrato, è molto ben isolato dall'ambiente circostante. Ciò consente ai fisici come noi di usarlo per rilevare l'elettricità debole, forze magnetiche e gravitazionali i cui effetti sarebbero altrimenti oscurati.

Per migliorare la capacità di rilevamento, rallentiamo o "raffreddiamo" il movimento delle nanoparticelle. Questo viene fatto misurando la posizione della particella mentre cambia nel tempo. Quindi reinviamo queste informazioni in un computer che controlla la potenza del raggio intrappolante. Variare il potere di intrappolamento ci permette di vincolare la particella in modo che rallenti. Questa configurazione è stata utilizzata da diversi gruppi in tutto il mondo in applicazioni che non hanno nulla a che fare con i laser sonori. Abbiamo quindi compiuto un passaggio cruciale che rende unico il nostro dispositivo ed è essenziale per la costruzione di un laser a fononi.

Ciò ha comportato la modulazione del raggio di intrappolamento per far oscillare più velocemente la nanoparticella, producendo un comportamento simile al laser:le vibrazioni meccaniche della nanoparticella hanno prodotto onde sonore sincronizzate, o un laser a fononi.

Il laser fononico è una serie di onde sonore sincronizzate. Un rilevatore può monitorare il laser fononico e identificare i cambiamenti nel modello di queste onde sonore che rivelano la presenza di una forza gravitazionale o magnetica.

Potrebbe sembrare che la particella diventi meno sensibile perché oscilla più velocemente, ma l'effetto di avere tutte le oscillazioni sincronizzate in realtà supera quell'effetto e lo rende uno strumento più sensibile.

Possibili applicazioni

È chiaro che i laser ottici sono molto utili. Trasportano informazioni su cavi in ​​fibra ottica, leggere i codici a barre nei supermercati ed eseguire gli orologi atomici che sono essenziali per il GPS.

Originariamente abbiamo sviluppato il laser a fononi come strumento per rilevare debolezze elettriche, campi magnetici e gravitazionali, che influenzano le onde sonore in un modo che possiamo rilevare. Ma speriamo che altri trovino nuovi usi per questa tecnologia nella comunicazione e nel rilevamento, come la massa di molecole molto piccole.

Sul versante fondamentale, il nostro lavoro sfrutta l'attuale interesse nel testare le teorie della fisica quantistica sul comportamento di raccolte di miliardi di atomi, all'incirca il numero contenuto nella nostra nanoparticella. I laser sono anche il punto di partenza per la creazione di stati quantistici esotici come il famoso stato del gatto di Schrodinger, che consente a un oggetto di trovarsi in due posti contemporaneamente. Naturalmente gli usi più entusiasmanti del laser fononico a pinzette ottiche potrebbero essere quelli che attualmente non possiamo prevedere.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.