Vauhdittaa äänipohjaisten lasereiden kehitystä

McGillin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet uuden tutkimuslaitteen, joka tuottaa erittäin kylmissä lämpötiloissa äänimäisiä hiukkasia eli fononeita.

Teknologiaa voitaisiin käyttää fononilasereiden luomiseen, ja sitä voitaisiin soveltaa viestinnässä ja lääketieteellisessä diagnostiikassa.

”Nykyaikainen viestintä perustuu pitkälti valoon, mukaan lukien sähkömagneettiset aallot ja sähkövirrat. Ääni voi kulkea esimerkiksi valtamerten kaltaisessa väliaineessa, kun taas valo ja sähkövirrat eivät”, sanoo fysiikan apulaisprofessori ja tutkimuksen toinen kirjoittaja Michael Hilke. ”Ääniaallot voivat olla hyödyllinen työkalu myös ihmiskehossa.”

Kokeilulaite rakennettiin ja analysoitiin McGillin ja Kanadan kansallisen tutkimusneuvoston toimesta. Materiaali syntetisoitiin Princetonin yliopistossa.

Laite toimii lähettämällä sähkövirran kaksiulotteisen kidekerroksen läpi ja vangitsemalla elektronit kanavaan vain muutaman atomin paksuisella alueella. Tutkijat havaitsivat, että kun elektroneja pusketaan riittävän voimakkaasti tämän kanavan läpi, ne vapauttavat energiaa äänimäisten värähtelyjen eli fononien purskeina ennustettavissa ja viritettävissä kuvioissa.

Tämä on mahdollista jäähdyttämällä rakenteet noin 10 millikelvinin ja 3,9 kelvinin lämpötiloihin, mikä tekee elektroneista ennustettavampia ja antaa tutkijoille mahdollisuuden havaita kvantti-ilmiöitä, joita esiintyy, kun aine käyttäytyy aaltojen tavoin kiinteiden hiukkasten sijaan.

”Absoluuttisessa nollapisteessä – eli kvanttifysiikan maailmassa – ääntä ei synny, elleivät elektronit kulje yhdessä äänennopeudella tai sitä nopeammin”, Hilke selitti. ”Aiempi työ oli havainnut samankaltaisia vaikutuksia elektronien nopeuksien lähestyessä äänivallia. Tutkimuksemme menee pidemmälle viemällä järjestelmän kauas tuon pisteen ulkopuolelle ja osoittamalla, että olemassa olevia teorioita on arvioitava uudelleen ottamalla huomioon, että elektronit voivat olla erittäin kuumia, vaikka isäntäkide olisi lähellä absoluuttista nollapistettä.”

Hilken mukaan seuraava askel on tutkia, miten laitteen rakentaminen muista materiaaleista, kuten grafeenista, mahdollistaisi sen toiminnan vielä nopeammin.

Tämä voisi johtaa nopeaan viestintäteknologiaan sekä anturilaitteisiin, biologisiin materiaaleihin ja edistyneisiin lääketieteellisiin järjestelmiin.

”Fononeja on vaikea tuottaa ja valjastaa hallitusti, joten tutkimme uusia järjestelmiä. Laajasti ottaen kyse on siitä, miten sähkövirta ja -energia liikkuvat ja muuttuvat edistyneiden elektronisten materiaalien sisällä”, hän sanoi.

Aiheesta aiemmin:

Fononilaser