При определённых условиях звук может проходить даже через идеальный вакуум. Теперь два физика выяснили, какими должны быть эти условия.
Жуоран Генг и Илари Маасилта из Университета Ювяскюля (Финляндия) утверждают, что их результаты представляют собой первое строгое доказательство полного акустического туннелирования в вакууме. Результаты исследования опубликованы в журнале Communications Physics.
Для этого необходимы два пьезоэлектрических материала, способных превращать движение в электрическое напряжение (и наоборот). Объекты должен разделять зазор, меньший, чем длина волны посылаемого звука, который затем полностью перейдёт — или «туннелирует» — через это пространство.
О туннелировании акустических волн известно с 1960-х годов, но учёные начали исследовать это явление сравнительно недавно, поэтому мы ещё не очень хорошо понимаем, как оно работает.
Генг и Маасилта работают над исправлением этой ситуации, сначала описав формализм для изучения акустического туннелирования, а теперь применяя его на практике.
Для распространения звука необходима среда. Звук возникает в результате вибраций, которые заставляют колебаться атомы и молекулы среды, и эти колебания передаются соседним частицам. Мы ощущаем подобные колебания (в определённом диапазоне частот) через чувствительную мембрану в ушах.
Идеальный вакуум — это полное отсутствие среды. Поскольку в нём нет частиц, способных вибрировать, звук не должен распространяться. Однако здесь могут быть определённые оговорки. В вакууме могут возникать электрические поля, что делает пьезоэлектрические кристаллы интригующим материалом для изучения передачи звука через пустое пространство.
Звуковая вибрация создаёт механическое напряжение в материалах. Используя оксид цинка в качестве пьезоэлектрического кристалла, Генг и Маасилта обнаружили, что при соблюдении определённых условий кристалл может преобразовывать это напряжение в электрическое поле.
Если в радиусе действия первого кристалла находится второй, то он может преобразовать электрическую энергию обратно в механическую, и вуаля, звуковая волна преодолела вакуум. Для этого два кристалла должны быть разделены зазором, ширина которого не превышает длины начальной акустической волны.
Причём эффект масштабируется с частотой. При соответствующем масштабе вакуумного зазора даже ультразвуковые и сверхзвуковые частоты могут туннелировать через вакуум между двумя кристаллами.
Поскольку это явление аналогично квантовомеханическому эффекту туннелирования, результаты исследования могут помочь учёным в изучении квантовой информатики, а также других областей физики.
«В большинстве случаев эффект невелик, но мы также обнаружили ситуации, когда полная энергия волны переходит через вакуум со 100% эффективностью, без каких-либо отражений, — говорит Маасилта. — Это явление может найти применение в микроэлектромеханических компонентах и в управлении теплом».
