Исследователи из Университета Макгилла (Канада) разработали устройство, генерирующее фононы при чрезвычайно низких температурах. Эта технология может быть использована для создания фононных лазеров, которые могут найти применение в коммуникациях и медицинской диагностике. Статья о проведенной работе опубликована в журнале Physical Review Letters.

Современные коммуникации в значительной степени основаны на оптическом излучении, электромагнитных волнах и электрическом токе. Однако в такой среде, как океаны, свет и электрический ток не могут применяться, в отличие от звуковых волн, которые способны также успешно распространяться и в теле человека, поясняют авторы исследования.

Созданное ими устройство работает, пропуская электрический ток через двумерный слой кристалла и удерживая электроны в канале «толщиной» всего в несколько атомов. Исследователи обнаружили, что при прохождении электронов с высокой скоростью через этот канал они высвобождают энергию в виде всплесков звукоподобных колебаний, то есть фононов, с предсказуемыми и настраиваемыми конфигурациями. Фонон — это квазичастица, представляющая собой квант коллективного колебательного движения атомов в кристаллической решетке. Фононы возникают при согласованных колебаниях атомов, которые распространяются как звуковые волны в твердом теле, а их энергия зависит от волнового вектора и частоты.

Работа устройства стала возможной благодаря его охлаждению до температур, близких к абсолютному нулю, что делает поведение электронов более предсказуемым и позволяет в процессе исследований наблюдать квантовые эффекты, которые возникают, когда материя ведет себя как волны, а не как твердые частицы. В квантовом устройстве даже в криогенных условиях почти абсолютного нуля электроны могут генерировать фононы, несмотря на отсутствие классического звука. Это свидетельствует о необходимости пересмотра существующих теорий, утверждают исследователи.

Их следующим шагом станет изучение применения других материалов, таких как графен, для ускорения работы устройства. Это может привести к созданию высокоскоростных коммуникационных технологий, а также сенсорных устройств, биологических материалов и передовых медицинских систем.