Eletrônica

Laser de som fica mais próximo da realidade

Laser fonônico: laser de som fica mais próximo da realidade
Da mesma forma que um laser emite luz de forma coerente, um laser de som emitirá ondas sonoras perfeitamente concentradas. [Imagem: Fir0002]

Laser de som

Primeiro veja o caso da luz: você aciona um gerador de fótons, mais conhecido como lâmpada, e a luz se espalha em todas as direções. Mas se você acionar um gerador especial de fótons, mais conhecido como laser, você terá os fótons seguindo ordenadamente uma direção precisa.

Agora vamos para o som: você liga um alto-falante, e as sondas sonoras se espalharão a partir dele seguindo seu desenho, em todas as direções.

E ponto final. Aqui há, é claro, uma lacuna: ainda não existe uma "forma laser" de emitir sons, cujas ondas saiam perfeitamente dirigidas e concentradas.

Laser fonônico

Mas isto está prestes a mudar. Dois grupos de físicos, um dos Estados Unidos e outro do Reino Unido, trabalhando separadamente, anunciaram simultaneamente progressos rumo ao desenvolvimento dos lasers fonônicos - dispositivos capazes de emitir sons da mesma maneira que os lasers ópticos emitem luz.

Quando completado, esse desenvolvimento deverá criar novos tipos de aparelhos de imageamento de alta resolução, além de várias outras aplicações médicas e industriais, como a possibilidade de transferir grandes energias à distância de forma concentrada.

Assim como os lasers ópticos foram incorporados em inúmeros aparelhos que já fazem parte do dia a dia das pessoas, um laser de som será o elemento fundamental de uma série de aplicações ainda inimagináveis.

Semelhanças entre som e luz

A luz e o som são similares em vários aspectos: os dois podem ser pensados em termos de ondas e ambos vêm em unidades de mecânica quântica, ou quanta - fótons no caso da luz e fónons no caso do som.

Além disso, tanto a luz quanto o som podem ser produzidos como coleções aleatórias de quanta - como no caso de uma lâmpada - ou como pacotes de ondas que viajam de forma coordenada - como é o caso da luz laser.

Pense, por exemplo, nas similaridades entre os microscópios ópticos e os microscópios acústicos, entre o sonar e o radar, e verá que há de fato muitas similaridades.

Em termos da física clássica, isso acontece porque as mesmas equações de onda governam as oscilações dos átomos, dos íons e das moléculas em uma onda de som, e a oscilação dos campos elétrico e magnético em uma onda de luz.

E, em termos da física quântica, os quanta básicos da luz (fótons) e do som (fónons) obedecem às mesmas regras que descrevem todas as partículas bósons com spin inteiro.

Muitos físicos acreditam que esses paralelos implicam que os lasers devem ser tão viáveis para o som como o são para a luz.

Laser fonônico: laser de som fica mais próximo da realidade
No alto, duas microcavidades são excitadas por um pulso óptico viajando por uma fibra óptica. No centro, os fótons são bombeados na fibra e convertidos para fónons. Embaixo, elétrons tunelam de um poço quântico para outro, emitindo fónons. [Imagem: Alan Stonebraker]

Ondas terahertz

Enquanto sons de baixa frequência, no intervalo que os seres humanos podem ouvir (até 20 kilohertz), sejam fáceis de se produzir tanto de forma aleatória quanto ordenada, as coisas ficam mais complicadas na faixa dos terahertz (trilhões de hertz) - é nesta faixa super alta de frequências que se encontram as potenciais aplicações dos lasers fonônicos.

O problema é que o som viaja muito mais lentamente do que a luz, o que significa que o comprimento de onda do som é muito menor do que o da luz em uma determinada frequência. Com isto, as minúsculas estruturas que produzem ondas na faixa dos terahertz, em vez de gerarem um laser fonônico ordenado e coerente, tendem a emitir fónons aleatoriamente.

Rumo ao laser de som

O grupo de cientistas do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), nos Estados Unidos, superou este problema montando um par de cavidades microscópicas que só permitem a emissão de frequências específicas de fónons. Eles também ajustaram o sistema para que ele seja capaz de emitir fónons de frequências diferentes, o que é feito alterando a distância entre as microcavidades.

Já o grupo britânico, da Universidade Nottingham, adotou uma abordagem diferente. Eles construíram o seu dispositivo com elétrons movendo-se através de uma série de estruturas conhecidas como poços quânticos. Conforme um elétron salta de um poço quântico para o próximo, ele produz um fónon.

Até agora, o grupo de Nottingham não demonstrou uma geração verdadeira de um laser de som, mas seu sistema amplifica os sons de alta frequência de uma forma que sugere que o dispositivo poderia se tornar o componente principal de um futuro laser fonônico.

Usos dos lasers de som

Albert Einstein previu em 1917 a possibilidade da matéria emitir fótons coerentes, sempre com a mesma frequência e fase. Foi o que ele chamou de "emissão estimulada". O laser foi demonstrado na prática mais de 40 anos depois, em 1960.

Desde então, o laser de fónons tem ocupado a mente de inúmeros pesquisadores. Quanto tempo levará para que ele se torne prático é uma questão difícil de responder.

É fato que o laser de som ainda não está pronto. Mas os dois desenvolvimentos tiram definitivamente a emissão de ondas sonoras de forma coerente e ordenada do campo das possibilidades teóricas, colocando o laser de som na agenda das realizações para um futuro próximo.

Enquanto isso, os físicos já começam a exercitar as possibilidades de uso da nova tecnologia, que incluem o imageamento médico não-ionizante (sem a radiação dos raios X, por exemplo), aparelhos de medição de alta precisão, sons concentrados de alta energia - enfim, tudo indica que os lasers de som terão um futuro tão brilhante quanto os lasers de luz.

Bibliografia:

Phonon Laser Action in a Tunable Two-Level System
Ivan S. Grudinin, Hansuek Lee, O. Painter, Kerry J. Vahala
Physical Review Letters
February 22, 2010
Vol.: 104, 083901
DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.083901

Coherent Terahertz Sound Amplification and Spectral Line Narrowing in a Stark Ladder Superlattice
R. P. Beardsley, A. V. Akimov, M. Henini, A. J. Kent
Physical Review Letters
February 22, 2010
Vol.: 104, 085501
DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.085501




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