Trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học sử dụng laser phonon để bẫy và nâng các hạt nano lơ lửng. Ảnh: Đại học Rochester / J. Adam Fenster

Công nghệ laser âm thanh mới đo trọng lực một cách chính xác

Kể từ khi được phát minh vào những năm 1960, laser đã làm thay đổi cả khoa học và cuộc sống hàng ngày, cung cấp năng lượng cho mọi thứ từ máy quét trong siêu thị đến phẫu thuật chỉnh thị lực. Laser truyền thống hoạt động bằng cách điều khiển photon, là các hạt ánh sáng riêng lẻ. Tuy nhiên, trong những thập kỷ gần đây, các nhà nghiên cứu đã mở rộng ý tưởng này sang các loại hạt khác, bao gồm phonon, là những đơn vị rung động hoặc âm thanh nhỏ bé. Việc làm chủ phonon có thể mở khóa những khả năng hoàn toàn mới, bao gồm cả việc tiếp cận các hiệu ứng lượng tử bất thường như vướng mắc lượng tử.

Các nhà khoa học tại Đại học Rochester và Viện Công nghệ Rochester đã phát triển một loại laser phonon nén mới có khả năng điều khiển chính xác các dao động này ở cấp độ nano. Mức độ kiểm soát này có thể giúp các nhà nghiên cứu khám phá những câu hỏi cơ bản về trọng lực, chuyển động của hạt và hành vi lượng tử. Phát hiện của họ, được công bố trên Tạp chí Nature Communications , mô tả cách họ điều khiển các dao động nhỏ này hoạt động một cách phối hợp, giống như laser.

Khắc phục nhiễu trong laser phonon

Nick Vamivakas, Giáo sư Vật lý Quang học Marie C. Wilson và Joseph C. Wilson tại Viện Quang học URochester, trước đây đã chứng minh được laser phonon vào năm 2019 bằng cách bẫy và nâng các dao động bằng nhíp quang học trong môi trường chân không. Mặc dù đây là một bước tiến lớn, nhưng để hệ thống này hữu ích cho các phép đo chính xác cần phải giải quyết một thách thức lớn mà tất cả các loại laser đều gặp phải: nhiễu. Những dao động không mong muốn này gây nhiễu tín hiệu và hạn chế độ chính xác.

"Mặc dù tia laser nhìn bằng mắt thường có vẻ như là một chùm tia ổn định, nhưng thực tế lại có rất nhiều biến động, điều này gây ra nhiễu khi bạn sử dụng laser để đo lường," Vamivakas nói. "Bằng cách tác động lực đẩy và kéo lên tia laser phonon bằng ánh sáng theo đúng cách, chúng ta có thể giảm đáng kể sự biến động của tia laser phonon."

Giảm nhiễu để đạt độ chính xác cao hơn

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật gọi là nén để giảm nhiễu nhiệt tự nhiên có trong laser phonon. Việc giảm nhiễu này cho phép đo lường chính xác hơn nhiều. Theo Vamivakas, phương pháp này có thể đo gia tốc chính xác hơn các phương pháp dựa trên laser ánh sáng truyền thống hoặc công nghệ tần số vô tuyến.

Ứng dụng tương lai trong định vị và vật lý

Với độ chính xác được cải thiện, laser phonon có thể trở thành công cụ mạnh mẽ để đo trọng lực và các lực khác với độ chính xác vượt trội. Khả năng này có thể đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống định vị tương lai. Các nhà nghiên cứu đã đề xuất la bàn lượng tử như một giải pháp thay thế có độ chính xác cao, "không thể bị gây nhiễu" cho GPS mà không cần dựa vào vệ tinh, và laser phonon có thể giúp đưa những ý tưởng này đến gần hơn với thực tế.