A maioria das pessoas está familiarizada com os lasers ópticos por meio de sua experiência com ponteiros laser. Mas e um laser feito de ondas sonoras?

O que torna a luz laser óptica diferente de uma lâmpada ou do sol é que todas as ondas de luz que emergem dela estão se movendo na mesma direção e estão em perfeita sintonia umas com as outras. É por isso que o feixe que sai do apontador laser não se espalha em todas as direções.

Em contraste, os raios do sol e a luz de uma lâmpada vão em todas as direções. Isso é bom porque, de outra forma, seria difícil iluminar uma sala; ou pior ainda, a Terra pode não receber nenhuma luz solar. Mas manter as ondas de luz em sintonia - os físicos chamam isso de coerência - é o que torna o laser especial. O som também é feito de ondas.

Recentemente, tem havido considerável interesse científico na criação de lasers de fônons nos quais as oscilações das ondas de luz são substituídas pelas vibrações de uma minúscula partícula sólida. Ao gerar ondas sonoras perfeitamente sincronizadas, descobrimos como fazer um fônon a laser - ou um "laser de som".

Em trabalho que publicamos recentemente na revista Nature Photonics , construímos nosso laser de fônon usando as oscilações de uma partícula - com cerca de cem nanômetros de diâmetro - levitada por uma pinça óptica.

Ondas em sincronia

Uma pinça óptica é simplesmente um feixe de laser que atravessa uma lente e prende uma nanopartícula no ar, como o raio trator em "Star Wars". A nanopartícula não fica parada. Ele balança para frente e para trás como um pêndulo, ao longo da direção do feixe de captura.

Uma vez que a nanopartícula não está presa a um suporte mecânico ou amarrada a um substrato, está muito bem isolado do ambiente envolvente. Isso permite que físicos como nós o usem para detectar eletricidade fraca, forças magnéticas e gravitacionais cujos efeitos seriam obscurecidos de outra forma.

Para melhorar a capacidade de detecção, diminuímos ou "esfriamos" o movimento das nanopartículas. Isso é feito medindo a posição da partícula conforme ela muda com o tempo. Em seguida, alimentamos essas informações em um computador que controla a energia do feixe de armadilha. A variação do poder de captura nos permite restringir a partícula de modo que ela desacelere. Essa configuração tem sido usada por vários grupos ao redor do mundo em aplicativos que nada têm a ver com lasers de som. Em seguida, demos um passo crucial que torna nosso dispositivo único e é essencial para a construção de um fonon laser.

Isso envolveu a modulação do feixe de captura para fazer a nanopartícula oscilar mais rápido, produzindo comportamento semelhante ao do laser:As vibrações mecânicas da nanopartícula produziram ondas sonoras sincronizadas, ou um fonon laser.

O laser de fonon é uma série de ondas sonoras sincronizadas. Um detector pode monitorar o laser de fônon e identificar mudanças no padrão dessas ondas sonoras que revelam a presença de uma força gravitacional ou magnética.

Pode parecer que a partícula se torna menos sensível porque está oscilando mais rápido, mas o efeito de ter todas as oscilações em sincronia na verdade supera esse efeito e o torna um instrumento mais sensível.

Possíveis aplicações

É claro que os lasers ópticos são muito úteis. Eles carregam informações por cabos de fibra óptica, ler códigos de barras em supermercados e operar relógios atômicos, essenciais para o GPS.

Originalmente, desenvolvemos o laser de fônon como uma ferramenta para detectar eletricidade fraca, campos magnéticos e gravitacionais, que afetam as ondas sonoras de uma forma que podemos detectar. Mas esperamos que outros encontrem novos usos para esta tecnologia em comunicação e detecção, como a massa de moléculas muito pequenas.

Do lado fundamental, nosso trabalho alavanca o interesse atual em testar teorias da física quântica sobre o comportamento de coleções de bilhões de átomos - aproximadamente o número contido em nossa nanopartícula. Lasers também são o ponto de partida para a criação de estados quânticos exóticos, como o famoso estado do gato Schrodinger, que permite que um objeto esteja em dois lugares ao mesmo tempo. É claro que os usos mais empolgantes da pinça óptica a laser fonônico podem muito bem ser aqueles que não podemos prever atualmente.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.