Что если бы можно было создать «лазер», но не из света, а из звука? Исследователи Университета Макгилла (McGill University) и Национального исследовательского совета Канады разработали устройство, способное генерировать звукоподобные частицы — фононы — при экстремально низких температурах.
Что такое фонон и зачем он нужен?
Фотоны — это «кирпичики» света, на которых основаны большинство современных оптических технологий. Фононы (phonons) — их звуковой аналог, квазичастицы, отвечающие за колебания в кристаллической решётке. Именно из них учёные хотят построить «звуковой лазер» — фонон-лазер.
Зачем это нужно? В средах, таких как океаны, а также внутри человеческого тела, световые и электрические сигналы распространяются плохо, тогда как звук может преодолевать такие препятствия.
«Современные коммуникации в основном основаны на свете — электромагнитных волнах и электрических токах. В таких средах, как океан, звук распространяется, тогда как свет и электрические токи — нет. В человеческом теле звуковые волны тоже могут быть полезным инструментом», — отмечает доцент физики Университета Макгилла Майкл Хилке, соавтор исследования.
Принцип работы устройства
В центре эксперимента — двумерный слой кристалла толщиной в несколько атомов, через который пропускают электрический ток. Электроны, «запертые» в узком канале, при ускорении до сверхвысоких скоростей испускают энергию в виде вспышек фононов. Эти вспышки возникают в предсказуемых и настраиваемых паттернах.
Ключевым условием является охлаждение устройства до температур от ≈10 милликельвин до 3,9 К: при таких условиях электроны ведут себя квантово и позволяют наблюдать эффект генерации фононов.
За гранью звукового барьера
Ранее сходные явления фиксировали, когда скорость электронов приближалась к скорости звука. В данной работе систему разогнали далеко выше «звукового барьера», что потребовало пересмотра существующих теорий с учётом высокой «температуры» электронов в кристалле, находящемся практически при абсолютном нуле.
«При температурах, близких к абсолютному нулю — то есть в мире квантовой физики — звук не возникает, если только электроны не движутся коллективно со скоростью звука или быстрее», — поясняет Хилке.
Перспективы и дальнейшие исследования
Следующий шаг учёных — создание аналогичного устройства на основе других материалов, таких как графен, что может обеспечить ещё более высокие скорости генерации фононов. Это открывает путь к новым технологиям высокоскоростной связи, сенсорам, биомедицинским и диагностическим системам.
Публикация и финансирование
Исследование под названием «Resonant magnetophonon emission by supersonic electrons in ultrahigh-mobility two-dimensional systems» опубликовано в журнале Physical Review Letters. Работа выполнена при поддержке Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada и Fonds de recherche du Québec — Nature et technologie. Материал для экспериментов был синтезирован в Принстонском университете.
