Nu kommer den akustiske laser langt om længe
En amerikansk og en engelsk forskergruppe har præsenteret hver deres bud på at forstærke lydbølger på en laser-agtig måde. Metoderne spås store anvendelser inden for ikke-destruktiv nanomikroskopi.
Sådan illustrerer Kerry Vahala sin fonon-laser. Fotoner med høj energi konverteres til fotoner med mindre energi og koherænte fononer. Når den optiske pumpeeffekt kommer over en tærskelværdi, vil fonon-forstærkningen overgå fonon-tabet og give anledning til fonon-lasing. (Ill. Kerry Vahala)
Læs også
Læs mere om
Dokumentation
- Jacob Khurgin: Phonon lasers gain a sound foundation
- Caltech-gruppen: Phonon Laser Action in a Tunable Two-Level System
- Nottingham-gruppen: Coherent Terahertz Sound Amplification and Spectral Line Narrowing in a Stark Ladder Superlattice
- Vahela Research Group
- Sound Amplification by Stimulated Emission of Radiation (wikipedia)
Lydbølger kan i princippet forstærkes på samme måde, som det sker for lysbølger i en laser – i praksis er opgaven dog meget sværere. To forskergrupper i henholdsvis USA og England viser nu vejen til, hvordan de meget store vanskeligheder kan overvindes.
»De overbevisende resultater fra disse to grupper varsler fremkomsten af akustiske bølger inden for et bredt frekvensområde, som kan bruges inden for billeddannelse, ikke-destruktive undersøgelser og medicin, da de svinger præcist i takt, som det er tilfældet for laserbølger,« forklarer Jacob Khurgin fra Johns Hopkins University i Baltimore i den amerikanske delstat Maryland i en kommentar på websitet for American Physical Society.
Samme matematik for lys og lyd
Den matematiske beskrivelse af elektromagnetiske (optiske) bølger og akustiske bølger er på mange områder identisk. Derfor har akustik og optik/mikrobølgeteknik gennem årene gensidigt inspireret hinanden. Det gælder inden for akustiske og optiske mikroskoper, radar og sonar og begreber som elektrisk og akustisk impedans.
Inden for kvantefysikken er der også en analogi mellem lys og lyd, idet fotoner (lyskvanter) og fononer (lydkvanter) er underlagt de samme regler, der gælder for alle bosoner – partikler der i en kvantefysisk beskrivelse har heltalligt spin.
Fotoner kan bringes i takt og forstærkes i lasere via en proces, der kendes som ”light amplification by stimulated emission of radiation” og som er oprindelsen til ordet ’laser’. I princippet kan det samme gøres med fononer, men de praktiske vanskeligheder er mange større end for fotoner.
Når forskerne alligevel arbejder hen mod at forstærke lydbølger på samme vis som lysbølger, skyldes det, at lydens hastighed er omkring 100.000 gange lavere end lysets hastighed. En lydbølge har dermed en tilsvarende mindre bølgelængde end en lysbølge af samme frekvens, og derfor kan lydbølger i terahertz-området bruges til præcise målinger.
Hvad der er lydbølgernes fordel, er dog også deres store ulempe. Den korte bølgelængde betyder i laser-termer, at spontan emission dominerer over stimuleret emission. Det er en hovedforklaring på, at ingen endnu har lavet en akustisk laser, fonon-laser eller saser – sound amplification by stimulated emission of radiation – eller hvad man nu ender med at kalde den akustiske ækvivalent til en laser.
Det amerikanske bud: Trommer
Kerry Vahalas forskergruppe på California Institute of Technology (Caltech) i Pasadena har dog nu taget et afgørende skridt på vejen til en fonon-laser.
Med lys fra en laser bringer forskerne to ’silicium-trommer’, der er omkring en snes mikrometer fra hinanden, i resonans – trommerne selv har en størrelse omkring 10 mikrometer. Vahalas forskergruppe verificerede, at kun én akustisk frekvens blev forstærket fra trommerne. Ved at justere mellemrummet mellem trommerne kunne de desuden justere frekvensen.
De fandt desuden, at pumpeeffekten fra laseren skal over en tærskel på 7 mikrowatt, før der sker en forstærkning af den akustiske effekt – helt tilsvarende som for optiske lasere.
Enheden er en ægte fonon-laser, forklarer Khurgin. Den har dog det problem, at frekvensen er i megahertzområdet og dermed væsentligt lavere end det ønskede for mange applikationer. Desuden har man andre principper, som eksempelvis piezoelektriske transducere, der kan bruges op til nogle få gigahertz.
Det britiske bud: Tårne
På University of Nottingham har Tony Kents forskergruppe lavet et tårn bestående af 50 skiftende lag af halvledermaterialerne galliumarsenid (GaAs) og aluminium-arsenid (AlAs) - hvert GaAs-lag har en tykkelse på 5,9 nm og hvert AlAs-lag en tykkelse på 3,9 nm. GaAs-lagene fungerer som kvantebrønde, og AlAs-lagene som barrierer mellem brøndene.
Når en laser rammer toppen af tårnet vil en elektron via den kvantemekaniske tunneleffekt kunne bevæge sig gennem halvlederstakken fra GaAs-kvantebrønd til GaAs-kvantebrønd. Ved passage af en AlAs-barriere frigives energi i form af en fonon med en frekvens i THz-området – i det aktuelle tilfælde 441 GHz.
Vekselvirkningen mellem elektroner og fononer er fundamentalt det samme, som giver anledning til elektrisk modstand, men her udnyttes vekselvirkningen produktivt. Normalt vil processen ske spontant, og de udsendte fononer vil bevæge sig i forskellige retninger og have forskellig fase. Men når der som i tårnet i Nottingham optræder en stærk koherænt fonon-bølge, vil den stimulerede proces dominere, og fonon-bølgen kan blive forstærket.
Foreløbig er der kun tale om forstærkning. Men Khurgin formoder, at det vil være muligt at indbygge fonon-reflektorer (på samme måde som en optisk laser består en forstærker og to spejle, hvor det ene er delvist reflekterende), så man får en oscillator og dermed en akustisk ækvivalent til en laser.
Laseren var en løsning, der manglede et problem
Jérôme Faist fra ETH i Zürich er som Khrurgin imponeret. Han mener dog, at det er uklart, hvad en fonon-lasere eller sasere skal bruges til.
»De vil finde anvendelser, men helt ærligt ved jeg ikke til hvad,« siger han til Nature News.
Det den første laser fremkom for 50 år siden stod man i en lignende situation. Laseren blev beskrevet som "en løsning, der manglede et problem" – siden har den gået fra sejrsgang til sejrsgang.
