Desde a sua invenção na década de 1960, os lasers transformaram a ciência e a vida cotidiana, alimentando tudo, desde scanners de supermercado até cirurgias de correção da visão. Os lasers tradicionais funcionam controlando os fótons, que são partículas únicas de luz. Nas últimas décadas, no entanto, os investigadores expandiram a ideia para outros tipos de partículas, incluindo fônons, que são pequenas unidades de vibração ou som. Dominar os fônons poderia desbloquear capacidades inteiramente novas, incluindo o acesso a efeitos quânticos incomuns, como o emaranhamento.
Cientistas da Universidade de Rochester e do Rochester Institute of Technology desenvolveram agora um novo laser de fônons comprimido que pode controlar com precisão essas vibrações em escala nanométrica. Este nível de controle poderia ajudar os pesquisadores a explorar questões fundamentais sobre a gravidade, o movimento das partículas e o comportamento quântico. Suas descobertas foram publicadas em comunicações da naturezadescrevendo como eles direcionam essas pequenas vibrações para agirem de maneira coordenada, semelhante a um laser.
Superando o ruído em lasers fônons
Nick Vamivakas, professor Marie C. Wilson e Joseph C. Wilson de física óptica no Rochester Institute of Optics, demonstrou anteriormente um laser fônon em 2019 usando uma pinça óptica para capturar e levitar vibrações no vácuo. Embora este seja um grande avanço, tornar o sistema utilizável para medições precisas requer a solução de um grande desafio comum a todos os lasers: o ruído. Essas flutuações indesejadas podem interferir no sinal e limitar a precisão.
“Embora um laser pareça a olho nu como um feixe constante, na verdade existem grandes flutuações, o que cria ruído quando você usa o laser para fazer medições”, disse Vamiwakas. “Ao empurrar e puxar o laser fônon com a luz da maneira certa, podemos reduzir significativamente as flutuações no laser fônon.”
Reduza o ruído para melhorar a precisão
Para resolver esse problema, a equipe utilizou uma técnica chamada extrusão para reduzir o ruído térmico natural presente nos lasers de fônons. A redução desse ruído permite medições mais precisas. Vamivakas disse que este método pode medir a aceleração com mais precisão do que os métodos baseados na tecnologia tradicional de laser ou radiofrequência.
Navegação e aplicações futuras da física
Com maior precisão, os lasers fônons podem se tornar ferramentas poderosas para medir a gravidade e outras forças com precisão extremamente alta. Esta capacidade poderá desempenhar um papel importante em futuros sistemas de navegação. Os pesquisadores propõem bússolas quânticas como uma alternativa “ininterrupta” e de alta precisão ao GPS sem satélite, e os lasers de fônons podem ajudar a aproximar esses conceitos da realidade.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation.
