Графеновый барабан: разработана новая конструкция фононного лазера

© Высшая школа экономики/ Михаил Дмитриев

Профессор МИЭМ ВШЭ Константин Арутюнов совместно с коллегами из Китая разработал механический резонатор на основе графена, в котором было индуцировано когерентное излучение квантов звуковой энергии, фононов. Такие устройства, называемые фононными лазерами, имеют широкий потенциал применения в обработке информации, а также в классическом и квантовом зондировании материалов. Исследование опубликовано в журнале Optics express. 

По аналогии с фотонами, квантами электромагнитного поля, существуют и частицы-кванты звуковой энергии, фононы. Фактически это искусственно введенные в физике объекты - квазичастицы, которые соответствуют колебаниям кристаллической решетки вещества.

Некоторые вещества при облучении испускают фотоны с одинаковой длиной волны, фазой и поляризацией. Этот процесс, называемый вынужденным излучением, был предсказан Альбертом Эйнштейном более века назад, и он лежит в основе всем нам знакомого прибора — лазера. Первые лазеры были сконструированы около шестидесяти лет назад, и прочно вошли в нашу жизнь в различных ее сферах.

Константин Арутюнов

@ МИЭМ НИУ ВШЭ

Схожий процесс с испусканием «одинаковых» фононов, лежит в основе прибора, называемого по аналогии фононным лазером, или сазером. Фактически он был предсказан одновременно с лазерами, однако на протяжении длительного времени было разработано всего несколько экспериментальных реализаций, и ни одна из них не получила широкого применения в промышленности.

В качестве активной среды для фононных лазеров за последнее десятилетие использовались ионы магния, полупроводники, композитные системы с микрополостями, электромеханические резонаторы, наночастицы и множество других веществ и систем. В отличие от предыдущих исследований, в данной работе было решено использовать графен для создания когерентных акустических колебаний, поскольку именно механические резонаторы на основе графена показали хорошие результаты по характеристикам их фононного излучения. За счет уникальных свойств графена такие резонаторы могут потенциально получить широкое применение.

Схема экспериментальной установки для получения и регистрации фононного излучения

Как работает резонатор на основе графена методом микролитографии:

Сначала фоточувствительная полимерная пленка наносится на кремниевую основу. Затем при помощи ультрафиолета на основе «рисуется» определенная структура, которая впоследствии при помощи обработки плазмой позволяет образовать повторяющуюся систему микрополостей. Обработанная основа покрывается слоем графена, и такая система “барабанов” ведет себя как резонатор, то есть усиливает внешние колебания с определенной частотой.

При помощи ультрафиолета на основе «рисуется» стркутура, которая впоследствии при помощи обработки плазмой позволяет образовать повторяющуюся систему микрополостей. Обработанная основа покрывается слоем графена, и такая система “барабанов” ведет себя как резонатор, то есть усиливает внешние колебания с определенной частотой.

Если облучить такой «барабан» светом лазера с определенной длиной волны, фотоны несколько раз отражаются между кремниевой основой и графеном, таким образом формируя оптические полости, где возникают механические колебания соответствующей частоты.  

«Экспериментально исследовалась наноструктура, представляющая из себя закрепленную мембрану из моноатомного слоя углерода, графена. В ней за счет воздействия внешним оптическим излучением возбуждались колебания атомов, фононы», - комментирует Константин Арутюнов. - Исследования предполагается продолжить, поскольку они представляют значительный интерес как для фундаментальных вопросов физики сверхмалых объектов, так и имеют потенциал для создания нового поколения квантовых оптомеханических датчиков и преобразователей».