Desde a sua invenção na década de 1960, os lasers revolucionaram a ciência e a vida cotidiana, alimentando tudo, desde scanners de supermercado até cirurgias visuais. Os lasers tradicionais funcionam direcionando fótons, que são partículas individuais de luz. Nas últimas décadas, no entanto, os investigadores alargaram esta ideia a outros tipos de partículas, incluindo fônons, que são pequenas unidades de vibração ou som. Dominar os fônons poderia abrir possibilidades 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 tipo de laser fônon comprimido que pode controlar com precisão essas vibrações em nanoescala. Este nível de controle pode ajudar os pesquisadores a explorar questões fundamentais sobre a gravidade, o movimento das partículas e o comportamento quântico. Suas descobertas, publicadas em Comunicações da naturezadescreva como eles controlavam essas vibrações minúsculas para agir de forma coordenada como um laser.
Superando o ruído em lasers fônons
Nick Vamivakas, professor Marie K. Wilson e Joseph K. Wilson de física óptica no Worcester Institute of Optics, demonstrou anteriormente um laser fônon em 2019 capturando e levitando vibrações usando uma pinça óptica no vácuo. Embora este tenha sido um passo importante para tornar o sistema útil para medições de precisão, exigiu a resolução de um grande problema partilhado por todos os lasers: o ruído. Essas flutuações indesejadas interferem nos sinais e limitam a precisão.
“Mesmo que o laser pareça um feixe constante a olho nu, na verdade há muita oscilação que causa ruído quando você usa o laser para medir”, diz Vamivakas. “Ao empurrar e puxar o laser fônon com a luz da maneira certa, podemos reduzir significativamente essas oscilações do laser fônon.”
Redução de ruído para melhor precisão
Para resolver esse problema, a equipe utilizou uma técnica conhecida como compressão para reduzir o ruído térmico natural presente no laser fônon. A redução desse ruído permite medições muito mais precisas. De acordo com Vamivakas, esta abordagem pode medir a aceleração com mais precisão do que métodos baseados em lasers de luz tradicionais ou tecnologias de radiofrequência.
Aplicações futuras em navegação e física
Com maior precisão, os lasers fônons podem se tornar uma ferramenta poderosa para medir a gravidade e outras forças com precisão excepcional. Esta capacidade poderá desempenhar um papel importante em futuros sistemas de navegação. Os pesquisadores propuseram bússolas quânticas como uma alternativa de alta precisão e “livre de ruptura” ao GPS que não depende de satélites, e os lasers de fônons poderiam ajudar a aproximar esses conceitos da realidade.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation.
