Физики из Калифорнийского технологического института (США) сконструировали «звуковой лазер» с оптической накачкой.

В такого рода лазерах место привычных когерентных фотонов занимают квазичастицы фононы — кванты поля звуковых волн в теле. Привлекательность идеи создания источника когерентных фононов определяется тем, что звуковые волны распространяются намного медленнее, чем световые; при одинаковой частоте длина волны в случае звука, следовательно, будет меньше, а это, к примеру, позволяет проводить точные неразрушающие измерения и получать изображения высокого разрешения.

Основой работы традиционного лазера служит, как известно, явление вынужденного излучения. Суть его сводится к тому, что возбужденный атом способен испустить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равна разности энергий уровней атома до и после излучения. В своей работе авторы использовали аналогичную двухуровневую конфигурацию фотонов в двух связанных оптических тороидальных резонаторах диаметром около 63 мкм. Внутренний диаметр одного составляет 12,5 мкм, а второго — 8,7 мкм; изменяя расстояние между ними, можно добиться того, что разность частот «верхнего» и «нижнего» уровней будет соответствовать акустическому резонансу системы. В этом случае при переходе фотонов с «верхнего» уровня на «нижний», характеризующийся меньшей частотой, будут появляться когерентные фононы.

Схема эксперимента с двумя микрорезонаторами и оптоволокном, которое выделено синим (иллюстрация Алана Стоунбрейкера).

В эксперименте излучение лазера накачки на длине волны 1 550 нм подавалось к микрорезонаторам с помощью оптоволокна. Частота получаемых фононов Ω_звук составляла несколько десятков мегагерц; регистрируя соответствующие фононам механические колебания системы, ученые изучали зависимость мощности сигнала от мощности накачки (см. рис. ниже). Пороговое значение мощности накачки, как можно заметить, составило около 7 мкВт.

Отчет исследователей опубликован в журнале Physical Review Letters; полный текст статьи можно найти здесь.

Результаты эксперимента, в котором определялся порог генерации лазера. В данном случае частота фонона составляла около 23,4 МГц. (Иллюстрация из журнала Physical Review Letters)