Два финских физика вычислили условия, при которых звук может передаваться через идеальный вакуум. Эффект сродни квантовому туннелированию, но в дело вступают обычная физика и некоторое оборудование. Открытие может помочь в разработке электроники MEMS и систем отвода тепла.
Источник изображения: Pixabay
Жуоран Генг и Илари Маасилта из Университета Ювяскюля, Финляндия, утверждают, что их работа представляет собой первое строгое доказательство полного акустического туннелирования в вакууме. Все, что нужно для эксперимента, — это два пьезоэлектрических датчика, каждый из которых способен преобразовывать звуковые волны в электрическое напряжение (и наоборот). При этом пьезоэлементы должны быть разделены зазором, меньшим длины волны передаваемого звука. В результате звук будет «переходить» от одного элемента к другому с полной силой, если соблюдены необходимые условия.
Как известно, для распространения звука нужна среда. Звук передается за счет последовательной передачи колебаний атомов и молекул среды соседним частицам. Люди непосредственно слышат (чувствуют) колебания воздуха с помощью чувствительной мембраны в ушах. Таких условий явно не существует в чистом вакууме — там нечему вибрировать и, следовательно, нечему распространять звуковые волны. Но есть лазейка — в вакууме могут распространяться электромагнитные поля, и это шанс для пьезоэлектрических кристаллов, которые в процессе деформации (под воздействием акустических волн) генерируют электричество. А где электричество, там поля.
Ученые использовали оксид цинка в качестве пьезоэлектрических элементов. Звуковая вибрация создавала в материале механическое напряжение, а это порождало в нем электрическое напряжение и при определенных условиях приводило к возникновению электромагнитного поля. Если второй кристалл находился в радиусе действия поля первого кристалла, то он преобразовывал поле в электрическую энергию и обратно в механическую — фактически в первоначальный акустический сигнал, который таким простым (или хитрым) способом , преодолела чистый вакуум. Ширина зазора в этом случае не должна превышать длину передаваемой звуковой волны.
Источник изображения: Гэн и Маасилта, коммун. физ., 2023)
Ученые также показали, что эффект не зависит от частоты звука. При соблюдении необходимого зазора работает как на ультразвуковых, так и на сверхзвуковых частотах. Обнаруженное явление может быть использовано как для практических решений, так и для моделирования квантового туннелирования, например, для помощи в развитии квантовой связи.
«В большинстве случаев эффект невелик, но мы также обнаружили ситуации, когда полная энергия волны проходит через вакуум со 100% эффективностью, без каких-либо отражений», — сказал Маасилта. «Таким образом, это явление может найти применение в микроэлектромеханических компонентах (MEMS, технологии смартфонов) и в управлении теплом».
В последнем случае, очевидно, ученый имеет в виду отвод тепла от приборов в вакуум, что может быть использовано в космической технике и не только. Саму работу ученые описали в статье в журнале Communications Physics.
Специальная подборка для Вас