Un gruppo di fisici ha compiuto un passo significativo verso la creazione di laser più potenti utilizzando il suono anziché la luce, aprendo la strada a numerose applicazioni pratiche oltre a essere un’innovazione affascinante. I laser tradizionali, che emettono un fascio di luce molto stretto e brillante, sono stati sviluppati per la prima volta negli anni ’60. La NASA spiega che i laser producono un fascio di luce in cui tutte le onde luminose hanno lunghezze d’onda molto simili e viaggiano insieme con i loro picchi allineati, o in fase. Questo è il motivo per cui i fasci laser sono molto stretti, molto luminosi e possono essere focalizzati in un punto molto piccolo.
La differenza tra suono e luce
Propagazione del suono e della luce
Mentre il suono e la luce presentano differenze significative, come il fatto che il suono si propaga solo attraverso un mezzo come fluidi e solidi, i fisici stanno lavorando per creare laser sonori manipolando i fononi. I fononi, simili ai fotoni che compongono i fasci di luce, sono particelle quantistiche indivisibili che costituiscono un fascio di suono. Queste particelle emergono dal moto collettivo di quadrilioni di atomi, proprio come un’onda nello stadio è dovuta al movimento di migliaia di tifosi individuali. Quando ascolti una canzone, stai sentendo un flusso di queste piccolissime particelle quantistiche.
Fononi e meccanica quantistica
Originariamente concepiti per spiegare le capacità termiche dei solidi, i fononi sono previsti per obbedire alle stesse regole della meccanica quantistica dei fotoni. Tuttavia, la tecnologia per generare e rilevare singoli fononi ha tardato a svilupparsi rispetto a quella per i fotoni. Andrew N. Cleland, Professore di Ingegneria Molecolare presso l’Università di Chicago, ha spiegato in un articolo del 2023 che la tecnologia per i fononi è ancora in fase di sviluppo.
Il nuovo studio sui laser sonori
La microsfera di silicio
Nel nuovo studio, gli scienziati hanno utilizzato una microsfera di silicio (SiO2) e l’hanno sospesa utilizzando fasci di luce. Questo ha fatto vibrare la sfera, generando un suono interno simile a un beep molto acuto, oltre a suoni al di là della capacità uditiva umana. Successivamente, hanno iniziato a manipolare la microsfera vibrante con un campo elettrico alternato per causare risonanza, amplificando le onde sonore fino a mille volte a quelle frequenze.
Amplificazione delle onde sonore
Applicando un’iniezione elettronica a singolo colore a questo sistema levitato, è possibile ottenere un’enorme amplificazione per tutte le armoniche fononiche di ordine superiore, con una luminosità aumentata di oltre 3 ordini di grandezza e una larghezza di linea ridotta di 5 ordini. L’esperimento è stato condotto in un vuoto per misurare meglio le onde sonore confinate all’interno della microsfera.
Applicazioni future dei laser sonori
Esplorazione e mappatura degli oceani
Questo studio rappresenta un passo avanti verso la creazione di laser sonori che potrebbero essere utilizzati per molteplici scopi, come l’esplorazione e la mappatura degli oceani utilizzando il suono. La capacità di generare segnali sonori coerenti e di alta qualità potrebbe rivoluzionare il modo in cui esploriamo le profondità marine, fornendo dati più precisi e dettagliati.
Avanzamenti nelle tecniche di imaging medico
Un’altra applicazione promettente dei laser sonori è nel campo delle tecniche di imaging medico. La capacità di controllare e utilizzare i laser fononici non lineari potrebbe portare a miglioramenti significativi nella diagnosi medica ultrasonica, offrendo immagini più chiare e dettagliate dei tessuti interni del corpo umano.
Comb fononici e sensori a banda larga
Il lavoro svolto dai ricercatori, che fornisce segnali molto più forti e di migliore qualità delle armoniche fononiche coerenti, è un passo chiave verso il controllo e l’utilizzo dei laser fononici non lineari per applicazioni come i comb fononici e i sensori fononici a banda larga. Questi dispositivi potrebbero avere un impatto significativo in vari settori, dalla comunicazione alla rilevazione ambientale.
Diagnosi biomedica ultrasonica
I laser sonori potrebbero rivoluzionare la diagnosi biomedica ultrasonica. La capacità di generare segnali fononici coerenti e di alta qualità potrebbe migliorare notevolmente la precisione e l’affidabilità delle diagnosi mediche, offrendo nuove opportunità per il trattamento e la cura dei pazienti. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista eLight.
