آشکارسازی نیروهای ضعیف با لیزر ساخته‌شده از امواج صوتی

به‌تازگی با استفاده از امواج صوتی لیزر‌ها‌یی فونونی ساخته‌ شده‌اند که با به‌کارگیری آن‌ها می‌توان نیرو‌ها‌ی ضعیف را آشکار‌سازی‌ کرد.

بیشتر افراد به‌دلیل تجربه‌ی کار با لیزر‌ها‌ی کوچک، با لیزر‌ها‌ی اپتیکی آشنایی‌ دارند؛ اما با لیزر‌ها‌ی ساخته‌شده از امواج صوتی چطور؟ نور لیزر ویژگی‌ها‌یی دارد که آن را از نور‌ها‌ی دیگر مانند نور لامپ یا نور خورشید متمایز می‌کند. امواج نوری گسیل‌شده از لیزر همگی در یک راستا منتشر می‌شوند و با یکدیگر هم‌فاز هستند؛ به‌همین‌دلیل، نور خارج‌شده از لیزر به اطراف و همه‌ی جهت‌ها پخش نمی‌شود.

بر‌خلاف نور لیزر، نور گسیل‌شده از لامپ یا از خورشید به همه‌ی جهت‌ها منتشر می‌شود. این ویژگی مفیدی است؛ چرا که اگر این‌گونه نبود، دیگر به‌راحتی نمی‌توانستیم کل اتاق را روشن‌ کنیم یا حتی زمین نمی‌توانست به‌سادگی از نور خورشید روشن‌ شود. هم‌فاز نگه‌داشتن امواج نوری که فیزیک‌دانان به آن «همدوسی« می‌گویند، ویژگی بسیار مهم لیزر‌ها است که آن را از سایر نور‌ها متمایز می‌کند. شایان ذکر است صوت هم از امواج درست‌ شده‌ است.

انبرک نوری

به‌تازگی دانشمندان به ساخت لیزر‌ها‌ی فونونی علاقه‌مند‌ شده‌اند. لیزر‌ها‌ی فونونی نوعی لیزر هستند که در آن‌ها نوسان‌های موجی با ارتعاش‌های ذرات کوچک جامد جایگزین می‌شود. با ساخت لیزر‌ها‌ی صوتی که در آن‌ها امواج صوتی به‌خوبی همگام شده‌ باشند، می‌توان در مسیر ساخت لیزر‌ها‌ی فونونی نیز گام برداشت.

در پژوهشی که به‌تازگی در مجله‌ی Nature Photonics منتشر‌ شده‌، با استفاده از نوسان‌های ذرات، ساخت لیزر فونونی ممکن شده است. این لیزر قطری حدود ۱۰۰ نانو‌متر دارد و در آن با استفاده از انبرک‌ها‌ی نوری، ذرات به پرواز درمی‌آیند و ارتعاش می‌کنند. دست‌اندرکاران این پروژه، میشکات باتاچاریا، دستیار پروفسور فیزیک و نجوم در مؤسسه‌ی تکنولوژی راچستر و نیک وامیواکاس، دستیار پروفسور اپتیک کوانتومی و فیزیک کوانتومی در دانشگاه راچستر هستند.

امواج همگام‌شده

اگر بخواهیم انبرک نوری را خیلی ساده توضیح‌ دهیم، باید بگوییم انبرک نوری درواقع لیزری است که از یک لنز رد می‌شود و یک ذره‌ی نانو را در هوا‌ی داخل دستگاه به‌دام می‌اندازد؛ چیزی شبیه بیم تراکتوری در جنگ ستارگان. ذره‌ی نانو بازهم در‌ جا‌ی خود ثابت نمی‌ماند. این ذره در راستا‌ی بیم به‌دام‌اندازنده، مانند پاندول به عقب‌وجلو نوسان می‌کند.

ازآنجاکه ذره‌ی نانو به جسم مکانیکی گیر نکرده و به هیچ جسمی متصل نیست، به‌خوبی از محیط اطرافش جدا‌ می‌شود و مستقل عمل‌ می‌کند. این موضوع به فیزیک‌دانان امکان بررسی نیرو‌ها‌ی ضعیف الکتریکی و مغناطیسی و گرانشی را می‌دهد؛ چرا که اثر آن‌ها روی این ذره‌ی نانو درک‌پذیر و مشاهده‌شدنی است.

برای افزایش توانایی درک نیرو‌ها‌ی تاثیر‌گذار بر ذره، با سرد‌کردن ذره، حرکت آن را کُند می‌کنند و با تعقیب تغییرات مکان ذره با زمان، از انجام این کار مطمئن می‌شوند. سپس، این اطلاعات به کامپیوتری داده‌ می‌شود که قدرت بیم به‌دام‌اندازنده را کنترل می‌کند.

با تغییر قدرت گیر‌اندازی می‌توان ذره را به‌گونه‌ای مقید‌ کرد که با سرعت بسیار کمی حرکت‌ کند. این کار را گروه‌ها‌ی مختلف در سراسر جهان انجام‌ داده‌اند؛ اما هیچ‌کدام از آن‌ها از لیزر‌ها‌ی صوتی برای این کار استفاده‌ نکرده‌اند. پژوهشی که‌ به‌تازگی انجام‌ شده‌، قدم بزرگی برای بی‌همتا و ضروری کردن این دستاورد برداشته‌ است.

در پژوهش جدید، با مدوله‌کردن بیم به‌دام‌اندازنده، ذره‌ی نانو را وادار می‌کنند سریع‌تر نوسان‌ کند و بازده‌ی مطلوبی شبیه به لیزر داشته باشد. نوسانات مکانیکی ذره‌ی نانو باعث تولید امواج صوتی همگام‌ شد و به‌عبارت‌دیگر، لیزر فونونی ایجاد‌ شد. لیزر فونون گروهی از امواج صوتی هم‌فاز را شامل می‌شود.

با تغییرات الگو‌ی این امواج صوتی، آشکار‌ساز می‌تواند متوجه آن‌ها شود و وجود نیرو‌ها‌ی گرانشی و مغناطیسی را آشکار‌ کند. به‌نظر می‌رسد به‌دلیل نوسان شدید ذره‌ی نانو، حساسیت دستگاه کمتر می‌شود؛ اما اثر نوسانات هم‌زمان و همگام، اثر این کاهش حساسیت را خنثی می‌کند و حساسیت دستگاه را افزایش می‌دهد.

کاربردهای ممکن

واضح است که لیزر‌ها‌ی اپتیکی کاربرد‌ها‌ی فراوانی دارند. آن‌ها اطلاعات را با کابل‌های فیبر نوری حمل می‌کنند و در سوپرمارکت‌ها برای خواندن بارکد استفاده می‌شوند و برای کار‌کردن ساعت‌ها‌ی اتمی و در‌نتیجه برای GPS ضروری‌ هستند.

لیزر‌ها‌ی فونونی در اصل برای آشکار‌سازی نیرو‌ها‌ی ضعیف الکتریکی و مغناطیسی و میدان‌ها‌ی گرانشی طراحی و ساخته‌ شده‌اند. در این لیزر‌ها، تأثیر نیرو‌ها بر امواج صوتی به‌گونه‌ای است که قابلیت آشکار‌سازی آن وجود‌ دارد؛ اما ممکن است در آینده، دیگران کاربرد‌ها‌ی دیگری در ارتباطات و اندازه‌گیری‌ها‌ی بسیار دقیق و حساس برای آن‌ها پیدا‌ کنند.

از دیدگاه بنیادی، این کار می‌تواند وسیله‌ای برای آزمودن نظریه‌ها‌ی مکانیک کوانتومی باشد. برای مثال، می‌توان از آن برای بررسی رفتار گروهی تشکیل‌شده از یک‌میلیارد اتم استفاده‌ کرد. این تعداد همان تعداد ذرات نانو‌ِ استفاده‌شده در لیزر‌ها‌ی فونونی است.

افزون‌براین، لیزر‌ها نقطه‌ی شروعی برای ایجاد حالت‌ها‌ی کوانتومی بر‌انگیخته‌ هستند؛ حالت‌ها‌یی مانند گربه‌ی شرودینگر مشهور که در این حالت، یک ذره می‌تواند در یک لحظه در دو مکان حضور‌ داشته‌ باشد. مسلما هیجان‌انگیز‌ترین کاربرد‌ها‌ی انبرک‌ها‌ی اپتیکی و لیزر‌ها‌ی فونونی، کاربرد‌ها‌یی هستند که هنوز درباره‌شان نمی‌دانیم.

از سراسر وب

  دیدگاه
کاراکتر باقی مانده
تبلیغات

بیشتر بخوانید