سیزر، لیزری از جنس صدا

محمود حاج‌زمان: دو گروه از محققین با استفاده از پوسته نازک طبل و برج‌های مرتعش، نوع جدیدی از لیزر را تولید کرده‌اند که به جای نور از خود صدا ساطع می‌کند. این لیزر صوتی که از سوی برخی از محققین سیزر (Saser) نام گرفته‌است، هنوز در مراحل ابتدایی قرار دارد؛ اما تیم تحقیقاتی معتقدند که این وسیله روزی در تمام زمینه‌های علوم، از تصویربرداری فراصوتی گرفته تا ساخت لوازم الکترونیکی سریع‌تر، مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

به گزارش نیچر، ایده ساخت سیزر قدمتی به اندازه خود لیزر دارد. اساس کار لیزر تقویت یک رنگ یا فرکانس خاص نور است. دو آینه بازتابنده با قرار گرفتن در فاصله مناسب از یکدیگر باعث تشدید فرکانس نور می‌شوند. فضای خالی بین دو آیینه توسط گازی که نور را تقویت می‌کند، پر می‌شود. هنگامی‌که نور بین آیینه‌ها جابه‌جا می‌شود، گاز موجود قدرت آن را افزایش می‌دهد و وقتی‌که نور از انتهای وسیله خارج می‌شود، به شکل پرتوی منسجمی است که تمام ذرات نور آن دارای رنگ و فرکانس یکسان هستند.

اصول مربوط به امواج نور و امواج صوت تقریبا یکسان است. در شرایط مناسب، می‌توان یک پرتو منسجم از امواج صوتی را در داخل یک قطعه ماده جامد تولید کرد. امواج صوتی بسیار کندتر از نور حرکت می‌کنند و بنابراین، در یک فرکانس مشخص، طول‌موج صوت خیلی کوتاه‌تر از طول‌موج نور هم فرکانس آن است. به گفته کری واهالا، فیزیکدان موسسه تکنولوژی کالیفرنیا در پاسادانا، امواج صوتی با طول‌موج کوتاه می‌توانند کاربردهای عملی بسیار مفیدی داشته‌باشند. به عنوان مثال پرتوهای صوتی می‌توانند در ساخت دستگاه‌های فراصوتی با تفکیک‌پذیری بسیار بالا استفاده شوند. چنین دستگاهی به راحتی می‌تواند ذراتی را که قوی‌ترین میکروسکوپ‌ها نیز قادر به مشاهده آنها نیستند، ردیابی کنند.

اما کوتاه بودن طول‌موج امواج صوتی که سیزر را تا این اندازه جذاب می‌سازد، ساخت آن را نیز بسیار سخت می‌کند. در لیزرهای معمولی تقویت کردن تنها یک فرکانس بسیار ساده است، زیرا فرکانس‌های مشابه تشدید نمی‌شوند. اما طول‌موج کوتاه امواج صوتی به این معناست که در یک فضای واحد، فرکانس‌های خیلی بیشتری برای تشدید با یکدیگر رقابت می‌کنند. این فرکانس‌های اضافی باعث اتلاف انرژی سیزر می‌شوند. در گذشته واهالا با تیم تحقیقاتی دیگری برای ساخت وسیله‌ای شبیه سیزر در دماهای فوق‌سرد کار کرده بود، اما تاکنون هیچ کس نتوانسته بود سیزری بسازد که در دمای اتاق کار کند.

طبل، برج و باقی قضایا
برای مجزا کردن یک فرکانس خاص، واهالا و گروهش با استفاده از یک لیزر دو طبل از جنس سیلیسیوم را به میزان تنها چند ده میکرومتر به نوسان درآوردند. انرژی نور باعث شد که دو طبل با فرکانس مشخصی نوسان کنند. با مشاهده نحوه لرزش لیزر هنگام تحریک طبل‌ها، واهالا و گروهش توانستند تشدید یک فرکانس منفرد در یکی از طبل‌ها اثبات کنند. هنگامی‌که سیستم از یک حد آستانه عبور کرد، طبل مذکور با یک فرکانس خالص شروع به تپیدن می‌کرد. تنظیم فاصله طبل‌ها بازخورد بین آنها را تغییر می‌داد و به گروه اجازه داد تا بتوانند فرکانس صدا را تنظیم کنند.

گروه تحقیقاتی دیگری از یک سیستم کاملا متفاوت برای تولید سیزر استفاده کردند. تونی کنت و گروهش از دانشگاه ناتینگهام انگلستان، برجی را که از به صورت یک در میان از لایه‌های نیمه‌رسانای آرسنید گالیوم و آرسنید آلومینیوم ساخته شده‌بود، استفاده کردند. وقتی که یک پرتوی لیزر به بالای برج برخورد می‌کرد، صدایی را ایجاد می‌کرد که باعث می‌شد الکترون‌های موجود در آرسنید گالیوم به صورت کوانتومی از بین لایه آرسنید آلومینیوم تونل بزنند. این تونل زدن باعث تقویت صدا در فرکانس خاصی می‌شد که به نوبه خود باعث می‌شد الکترون‌ها بیشتری در فرایند تونل زدن شرکت کنند. به گفته کنت، این اثر تقویتی اگرچه برای مدت کوتاهی انسجام داشت، اما مفهوم سیزر را اثبات می‌کرد.

به گفته جرمی فیست از محققان موسسه تکنولوژی فدرال سویس در زوریخ، هر دو نتیجه جالب هستند و احتمالا مزایا و معایبی دارند. وی می‌گوید: «گروه واهالا یک لیزر صوتی واقعی را اختراع کرده‌است. کار آنها بسیار هوشمندانه است، اما وسیله آنها در فرکانس‌های مگاهرتزی کار می‌کند. چنین فرکانسی برای بسیاری از کاربردها، کمتر از میزان مورد نیاز است. علاوه بر این، تولید امواج صوتی از پوسته طبل و انتقال آنها از میان یک جسم جامد کار دشواری است.»

در مقابل، برج کنت از فناوری نیمه‌رساناها استفاده می‌کند که اتصال آن را به مدارهای نیمه‌رسانا آسان‌تر می‌سازد. همچنین این وسیله با فرکانس معادل چند صد گیگاهرتز کار می‌کند، فرکانسی که در خیلی از وسایل الکترونیکی مدرن استفاده می‌شود. با این وجود، این وسیله بخش اعظمی از انرژی خود را از دست می‌دهد که باعث می‌شود موج صوتی تولید آن دارای فرکانس مناسبی نباشد.

فیست می‌گوید: «هنوز معلوم نیست که کدام یک از این سیزرها بهتر خواهد بود. آنها کاربردهای خود را پیدا خواهند کرد، اما من نمی‌دانم که این کاربرد چه خواهد بود.» واهالا اگرچه با فیست موافق است اما اضافه می‌کند که در حال حاضر، ساختن چنین وسیله‌ای به تنهایی نیز یک موفقیت ارزشمند است. وی می‌گوید: «بازی تازه شروع شده است.»