Финские физики экспериментально подтвердили возможность реализации эффекта «вакуумного туннелирования фононов». Согласно их исследованиям, при соблюдении определенных условий звуковые колебания способны передаваться между телами, преодолевая вакуумный промежуток.
Звук представляет собой упругие волны, распространяющиеся в среде, состоящей из молекул, атомов или ионов. Он передается через вещество в твердой, жидкой, газообразной и плазменной фазах. Процесс передачи звука осуществляется посредством звуковых волн, или механических колебаний, которые поддерживаются средой.
В условиях космического вакуума распространение звуковых волн невозможно из-за крайне низкой концентрации молекул, атомов и ионов.
В 2010 году физики из ряда американских университетов поставили под сомнение утверждение о невозможности передачи звука в вакууме. В своем исследовании они предположили, что звуковые колебания могут «перескакивать» из одного твердого тела в другое через вакуумный зазор субмикронной толщины. Этот эффект получил название «вакуумное туннелирование фононов».
Фонон — квант энергии колебательного движения атомов, составляющих идеальную кристаллическую решетку, представляет собой квазичастицу. Согласно исследованиям американских физиков, наблюдаемый эффект обусловлен взаимодействием электрического поля и звуковых волн внутри кристалла.
При достижении колебаниями кристаллической решетки одной из граней кристалла, вблизи его поверхности формируются изменяющиеся электрические поля, которые регистрируются на противоположной стороне вакуумного зазора. Затем эти поля вызывают колебания кристаллической решетки в другом кристалле.
Фонон может «перескочить» через пустое пространство от первого кристалла ко второму и продолжить распространение уже в нем, несмотря на отсутствие фонона в межкристальной области.
Американские исследователи в своей работе представили несколько способов обеспечения эффективной связи между колебаниями кристалла и электрическим полем. Тем не менее, до недавнего времени эти подходы не применялись на практике.
Финские физики из Центра нанотехнологий Университета Йювяскюля провели эксперимент, в ходе которого установили, каким образом и при каких обстоятельствах звуковые волны способны преодолевать пустоту между двумя твердыми телами. Результаты исследования представлены в журнале Communications Physics.
Для проведения эксперимента исследователи применили два идентичных пьезоэлектрических кристалла, изготовленных на основе оксида цинка. Пьезоэлектрические материалы обладают способностью генерировать электрический заряд при механической деформации и изменять свою форму под воздействием электрического поля.
Механическое напряжение, создаваемое звуковыми волнами, может быть преобразовано пьезоэлектрическими кристаллами в электрическое поле, а также наоборот. Под воздействием звуковых волн эти кристаллы деформируются, растягиваясь или сжимаясь, что приводит к изменению электрического поля.
По достижении звуковой волной края первого кристалла электрическое поле, связанное с ним и проходящее через пустоту, претерпит изменения и деформирует другой кристалл. Таким образом, звуковая волна «перескакивает» через вакуум от одного тела к другому.
Разместив кристаллы напротив друг друга в специальной установке и отделив их вакуумным зазором, ученые наблюдали, как один кристалл преобразует электрическую энергию в механическую, а звуковая волна, возникшая в первом кристалле, передается через зазор ко второму. Этот эффект стал возможен лишь при соблюдении определенного условия: расстояние между кристаллами не должно было превышать длину первоначальной звуковой волны.
Финские физики установили, что данный эффект проявляется в различных диапазонах звуковых частот, включая «герц», «килогерц», а также в ультразвуковом (МГц) и гиперзвуковом (ГГц) диапазонах, которые находятся за пределами человеческого слуха. При увеличении частоты наблюдалось уменьшение вакуумного зазора в ходе эксперимента.
«Звуковая волна нередко лишь частично преодолевала зазор, но иногда проходила через него целиком и с максимальной эффективностью, не вызывая отражений», — объяснил Илари Маасилта, соавтор исследования.
Хотя данный эксперимент не является неопровержимым подтверждением возможности распространения звуковых волн в вакууме, полученные результаты могут найти применение в различных научных областях. Например, они могут быть полезны при создании микроэлектромеханических компонентов, используемых в барометрах, датчиках угловой скорости, гироскопах и акселерометрах.
Авторы исследования не проводили эксперименты по передаче инфразвука. Однако, если эти принципы применимы, то значительные пьезокристаллы способны передавать звуковые волны в космическом пространстве на значительные расстояния, поскольку длина инфразвуковой волны может достигать десятков метров.