Физики превратили звуки в радугу Ландау
Полноценные радуги, состоящие из звука, впервые удалось зафиксировать и визуализировать. Освоение лежащих в основе этого методов может открыть путь к новым звуковым устройствам для обработки информации или сбора энергии.
Чтобы получить радугу из любого источника света, нужно рассортировать этот свет по длине волны. Логично предположить, что это возможно с любыми волнами — в том числе звуковыми или колебаниями внутри материалов. Однако до сих пор такие «упругие радуги» удавались разве что по краям таких материалов.
Две группы китайских физиков независимо друг от друга сумели это сделать — одни сумели заключить такую радугу в кремниевый чип, другие получили ее в алюминиевом метаматериале. Результатами и те, и другие поделились на страницах Physical Review Letters.
Для создания упругой радуги нужно собрать фононы — похожие на частицы квантовые возбуждения — в группы по частотам. Затем каждую группу необходимо зафиксировать в определенном месте. В достижении этой цели обе команды руководствовались тем, как ограничивают движение электронов в тонких материалах, помещая их в электромагнитные поля.
Исследователи придали своим устройствам микроскопические узоры, например, из крошечных треугольных столбиков. Обычно колебания распространяются в твердых телах хаотично и ненаправленно. Но эти узоры были рассчитаны так, что при движении фононов их скорость и направление менялись, словно их подталкивало электромагнитное поле.
«Исследователи превратили геометрию обычного твердого тела в своеобразный ландшафт для управления колебаниями — почти так, будто чип содержит магнитные и электрические поля, специально созданные для звука. Это и концептуально красиво, и потенциально очень полезно», — считает прикладной физик Космас Цакмакидис из Афинского национального университета имени Каподистрии, участвовавший в пионерских работах по улавливанию волн с помощью структурированных материалов.
Разработчики алюминиевого преобразователя свою радугу визуализировали, подсветив ультразвуковые колебания лазером. «Наблюдать, как ультразвуковые волны плавно разделяются и локализуются в точно предсказанных местах, было невероятным опытом», — признается ведущий автор Чэнь Яфэн из Университета Тунцзи.
Эти результаты могут открыть путь к изучению квантовых эффектов, а также явлений из специальной теории относительности Альберта Эйнштейна в новых материалах, говорит Себастьен Генно из Имперского колледжа Лондона. Более того, в перспективе это приведет к разработке вибрационных фильтров, ультразвуковых маршрутизаторов, чувствительных механических датчиков или устройств для сбора энергии упругих волн.
Впрочем, до практического применения этих идей еще очень далеко, добавляет Хеннинг Шомерус из Ланкастерского университета. Например, существующие устройства нужно будет уменьшить, а количество колебательной энергии, удерживаемой внутри радуги, — увеличить.
По словам Чэня, команда уже работает в этом направлении. «Наша методика открывает перспективы для создания сверхкомпактных акустических устройств на чипе», — заключает он.
