Ученые создали квантовое устройство, превращающее электричество в управляемые звуковые волны для лазеров нового типа
Исследователи из Университета Макгилла разработали новое устройство, которое генерирует похожие на звук частицы, известные как фононы, при экстремально низких температурах. Эта технология может быть использована для создания фононных лазеров с потенциальным применением в коммуникациях и медицинской диагностике.
Как объяснил Майкл Хилке, доцент физики и соавтор исследования, современная связь в значительной степени основана на свете, включая электромагнитные волны и электрические токи. Однако в таких средах, как океан, звук может распространяться, тогда как свет и электрические токи — нет, а звуковые волны также могут быть полезным инструментом внутри человеческого тела.
Устройство работает путем пропускания электрического тока через двумерный слой кристалла, в котором электроны оказываются запертыми в канале толщиной всего в несколько атомов. Исследователи обнаружили, что когда электроны проталкиваются через этот канал с достаточной силой, они высвобождают энергию в виде всплесков звукоподобных вибраций — фононов — в предсказуемых и настраиваемых паттернах.
Это стало возможным благодаря охлаждению устройств до температур между примерно 10 милликельвинами и 3,9 кельвина, что заставляет электроны вести себя более предсказуемо и позволяет наблюдать квантовые эффекты, возникающие, когда материя ведет себя как волны, а не как твердые частицы. Как пояснил Хилке, при температуре абсолютного нуля, то есть в мире квантовой физики, звук не создается, если только электроны не движутся коллективно со скоростью звука или выше. Более ранние работы наблюдали связанные эффекты, когда скорость электронов приближалась к звуковому барьеру. Новое исследование идет дальше, продвигая систему далеко за эту точку и показывая, что существующие теории нуждаются в пересмотре с учетом того, что электроны могут быть очень горячими, даже если сам кристалл-хозяин находится вблизи температуры абсолютного нуля.
Хилке отметил, что следующим шагом станет изучение того, как создание устройства из других материалов, таких как графен, позволит ему работать еще быстрее. Это может привести к созданию высокоскоростных коммуникационных технологий, а также сенсорных инструментов, биоматериалов и передовых медицинских систем. Поскольку фононы трудно генерировать и контролируемо использовать, ученые исследуют новые режимы, пытаясь понять, как электрический ток и энергия движутся и преобразуются внутри передовых электронных материалов.
Исследование в журнале Physical Review Letters.