聲子激光器：可用於信息處理與量子物理研究！

導讀

據美國羅切斯特理工學院官網近日報道，該校以及羅切斯特大學的科研人員們合作開出一種新型聲子激光器，它有望應用於感測、信息處理以及量子物理研究。

背景

與普通光源相比，激光具有單色性好，亮度高，方向性好等優勢，因此也稱為「最快的刀」、「最準的尺」、「最亮的光」。激光是20世紀人類的重大發明之一。

各種色彩的激光（圖片來源：維基百科）

激光，是由原子受激輻射產生的光。原子中的電子吸收能量後從低能級躍遷到高能級，再從高能級回落到低能級的時候，能量以光子的形式被釋放出來，被激發出來的光束中的光子光學特性高度一致。

1960年，美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家梅曼宣布世界上第一台激光器誕生。從那時起，光學激光器逐步成長為一個100億美元的全球技術市場。

2018年，美國科學家亞瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）、法國科學家傑哈·莫羅（Gérard Mourou）、加拿大科學家唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland）因對激光物理領域做出的傑出貢獻共同獲得了諾貝物理獎。

其中，亞瑟·阿斯金的貢獻為「發明了一種光學鑷子」，它可以用來捕獲粒子、原子、病毒和其他活細胞；傑哈·莫羅和唐娜·斯特里克蘭的貢獻為「產生高密度超短光學脈衝的方法「。

創新

近日，美國羅切斯特理工學院（RIT）與羅切斯特大學的科研人員們合作創造出一種不同類型的激光器：聲子激光器，它採用了阿斯金髮明的光學鑷子技術。相關論文發表在最新一期的《自然光子學（Nature Photonics）》期刊上。

（圖片來源：A. Nick Vamivakas 和 Michael Osadciw, 羅切斯特大學）

技術

在論文中，研究人員們提議並展示了一種聲子激光器，它採用了光學懸浮的納米粒子。聲子，是與聲波及光鑷相關的能量量子，它可以孤立地測試量子效應的極限，並消除來自周圍環境的物理干擾。研究人員們研究了納米粒子的機械振動。這些納米粒子可在激光束焦點處的輻射力作用下，形成一種反重力的懸浮狀態。

羅切斯特理工學院物理系副教授、理論量子光學研究員 Mishkat Bhattacharya 表示：「通過探測納米粒子散射的光線，來測量納米顆粒的位置，並將這些信息反饋到鑷子光束中，我們就可以創造出類似激光的情況。這種機械振動變得很強烈，並且形成完美的同步，就像光學激光器中發出的電磁波一樣。」

光學鑷子示意圖與系統模型（圖片來源：參考資料【1】）

因為激光器中發出的光波是同步的，所以波束可長距離傳播，而不會向四面八方擴散，這與太陽或燈泡發出的光線不同。在標準的光學激光器中，光的輸出特性是由製作激光器的材料控制的。有意思的是，在聲子激光器中，光線和物質的角色反轉了過來，材料粒子的運動受到光學反饋的控制。

價值

Bhattacharya 表示：「我們對於這個設備應用前景感到非常振奮，特別是在感測與信息處理方面，因為光學激光器有著許多應用場景，而且應用場景仍在不斷擴展。」他也表示，聲子激光器有利於基礎量子物理的研究，包括著名的思想實驗薛定諤的貓，這隻貓可以同時處於死與活的疊加態。

關鍵字

激光、量子物理、聲子

參考資料

【1】Robert M. Pettit, Wenchao Ge, P. Kumar, Danika R. Luntz-Martin, Justin T. Schultz, Levi P. Neukirch, M. Bhattacharya, A. Nick Vamivakas. An optical tweezer phonon laser. Nature Photonics, 2019; DOI: 10.1038/s41566-019-0395-5

【2】https://www.rit.edu/news/rit-researcher-collaborates-ur-develop-new-form-laser-sound

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