Vědci totiž stále intenzivněji zkoumají možnost vytvářet lasery založené nikoliv na světle, ale na vibracích a mechanických kmitech. Takže na zvuku. A přesně v této oblasti nyní přišel významný průlom. Výzkumný tým z amerických univerzit University of Rochester a Rochester Institute of Technology představil nový typ takzvaného squeezed phonon laseru, tedy speciálního zvukového laseru schopného mimořádně přesně řídit vibrace na nanometrové úrovni. Dle vědců by tato technologie mohla v budoucnu dramaticky zpřesnit měření gravitace, zrychlení i dalších fyzikálních veličin a možná jednou změnit způsob, jakým funguje navigace bez GPS.

Na první pohled může pojem zvukový laser působit zvláštně. Laser si běžně spojujeme se světlem, ne se zvukem. Princip je ale ve skutečnosti podobný. Klasický laser funguje tak, že vědci dokážou usměrnit fotony do dokonale koordinovaného pohybu. V důsledku tohoto pohybu vzniká velmi stabilní a intenzivní světelný paprsek. U fononového laseru se pak místo fotonů pracuje s fonony. Fonon není klasická částice v běžném slova smyslu, ale přímo samostatná fyzikální jednotka vibrace nebo mechanického kmitu uvnitř materiálu. Dá se říct, že představuje nejmenší míru zvuku či vibrace na kvantové úrovni.

Výzkumníci věří, že by díky schopnosti tyto fonony ovládat mohli lépe studovat některé velmi zvláštní kvantové jevy, například kvantové provázání neboli entanglement. To je fenomén, při kterém se dvě částice chovají propojeně bez ohledu na vzdálenost mezi nimi. Einstein kdysi tento jev označil za strašidelné působení na dálku, dnes ale představuje jeden ze základních kamenů budoucích kvantových technologií.

Nový výzkum publikovaný v časopise Nature Communications ukazuje, že se v tomto případě vědci nepohybují pouze ve fázi teoretických úvah. Dokázali vytvořit systém, ve kterém se drobné mechanické vibrace chovají koordinovaně podobně jako světlo v klasickém laseru. Podařilo se jim přimět fonony, aby pracovaly synchronizovaně a vytvářely velmi stabilní mechanické kmity.

Za projektem stojí mimo jiné fyzik Nick Vamivakas, který se problematice fononových laserů věnuje už několik let. Už v roce 2019 jeho tým demonstroval první funkční fononový laser, kde byly vibrace zachyceny a levitovány za pomocí optické pinzety ve vakuu. To samo o sobě představovalo významný technologický úspěch. Akorát mezi laboratorní demonstrací a prakticky použitelným měřicím nástrojem je obří rozdíl.

Hlavním problémem se ukázal být šum. S ním bojují prakticky všechny extrémně citlivé měřicí technologie. Když si člověk představí laserový paprsek, působí dokonale stabilně a konstantně. Ve skutečnosti ale i laser obsahuje miniaturní fluktuace a nepravidelnosti. Tyto nechtěné změny vytvářejí šum, který může výrazně snižovat přesnost měření.

U fononových laserů je pak situace ještě komplikovanější tím, že vibrace jsou velmi citlivé na teplotní změny a okolní prostředí. Tepelný šum dokáže snadno narušit koordinovaný pohyb fononů a tím znehodnotit výsledky měření. Pokud má takový systém sloužit například k přesnému měření gravitace nebo zrychlení, je velmi nezbytné tento problém znatelně omezit.

Inovace nového výzkumu pro toto určité řešení přináší. Vědci použili techniku známou jako squeezing, jinými slovy kvantové stlačení. Princip je složitý, ale zjednodušeně řečeno jde o metodu, která umožňuje potlačit určitý typ kvantových fluktuací s tím, že se zesílí jiné. Tímto způsobem je možné dospět k výraznému snížení šumu v parametru, který je pro měření nejdůležitější.

Pomocí přesně řízeného působení světla dokázali výzkumníci fononový laser tlačit a natahovat takovým způsobem, že se podařilo dramaticky omezit jeho vnitřní fluktuace. Tím vznikl mnohem stabilnější systém schopný mimořádně přesných měření.

Podle autorů studie by dokonce tento typ fononového laseru mohl měřit zrychlení přesněji než současné technologie založené na klasických světelných laserech nebo radiofrekvenčních vlnách. To je důležité nejen pro laboratorní fyziku, ale potenciálně i pro celou řadu praktických aplikací.

Jednou z nejzajímavějších možností je měření gravitace. Gravitační pole Země se nepatrně mění podle hustoty hornin, pohybu podzemní vody nebo geologických struktur. Extrémně citlivé gravitační senzory mohou pomáhat například při geologickém průzkumu, monitorování zemětřesení nebo hledání přírodních zdrojů. Jestliže by tyto fononové lasery dokázaly nabídnout vyšší přesnost než dnešní technologie, mohly by otevřít úplně nové možnosti v oblasti mapování planety.

Ale tím to nekončí, protože fononové lasery by našly své uplatnění i v navigaci. Současný svět je silně závislý na GPS systémech, které fungují díky satelitům obíhajícím kolem Země. A ačkoliv je to velmi přesný systém, zůstává stále zranitelný. Signál GPS může být rušen, blokován nebo v některých situacích úplně nedostupný. To představuje problém kupříkladu pro armádu, autonomní vozidla, lodní dopravu nebo kosmické technologie.

To je jeden z primárních důvodů, proč vědci už delší dobu uvažují o takzvaných kvantových kompasech, které by dokázaly určovat polohu a směr bez potřeby satelitního signálu. Místo komunikace s družicemi by využívaly extrémně přesná měření pohybu, gravitace a zrychlení přímo uvnitř samotného zařízení. Takový systém by byl prakticky nevyrušitelný a fungoval by i v podmínkách, kde GPS selhává.

Fononové lasery by mohly být jednou z technologií, které tuto vizi umožní realizovat. Dnes jsou zatím stále převážně laboratorní záležitostí a jejich praktické nasazení může být ještě vzdálené. Přesto jde o oblast, která velmi rychle postupuje kupředu a je celkově impozantní. Jakmile by došlo k významnému posunu v této věci, určitě o tom napíšeme ještě další články, kde o tom budeme dále hovořit.