Знаменитый эксперимент со светом 1801 года впервые был проведён со звуком
Физики из Лейдена провели исследование, результаты которого могут быть применены в устройствах 5G и новой области квантовой акустики. Статья [опубликована](https://opg.optica.org/abstract.cfm?URI=ol-50-20-6385) в журнале Optics Letters.
Аспирант Томас Стинберген говорит: «Мы увидели, что звуковые волны в материалах ведут себя так же, как свет, но и немного иначе. Теперь мы можем объяснить и предсказать это поведение с помощью математической модели».
Эксперимент Юнга
Эксперимент Юнга впервые показал, что свет иногда ведёт себя как частица, а иногда как волна. В эксперименте свет пропускали через две узкие щели. За щелями световые волны либо усиливали, либо гасили друг друга из-за интерференции, создавая узор из ярких и тёмных полос — интерференционный узор.
Позднее тот же эксперимент был проведён с частицами, показав, что все частицы могут вести себя и как частицы, и как волны. Со временем двухщелевой эксперимент был проведён со всеми видами квантовых объектов — от электронов и нейтронов до бакминстерфуллеренов, молекул, состоящих из 60 атомов углерода.
Как ведёт себя звук на микроуровне
Томас Стинберген и его коллега Лёффлер хотели понять, как именно ведёт себя звук на микроуровне. Двухщелевой эксперимент предоставил здесь ценные сведения. В своей экспериментальной установке Стинберген опирался на исследовательский проект, начатый студентом-бакалавром по физике Кшистианом Черняком.
В эксперименте исследователи использовали гигагерцовые звуковые волны, вибрирующие миллиард раз в секунду — намного выше того, что могут слышать люди. Звуковые волны были направлены на небольшой кусочек материала: полупроводник арсенид галлия, часто используемый в электронных устройствах. Коллега Маттис Рог из исследовательской группы Кавеха Лахаби вырезал в этом материале две крошечные канавки (щели) с помощью ионного пучка.
Стинберген объясняет: «Затем мы измеряем звук с помощью чрезвычайно точного оптического сканера. Это устройство может измерять звук буквально везде, в том числе в щелях и перед ними. Мы можем измерить высоту звуковых волн с точностью до пикометра — это одна миллионная часть микрометра».
Как и в двухщелевых экспериментах со светом, на задней стороне появляется интерференционный узор: можно чётко увидеть, где звук усиливается, а где гасится.
Стинберген добавляет: «Но если присмотреться, можно увидеть, что узор не совсем симметричен. Звуковые волны движутся не одинаково во всех направлениях. Скорость волн зависит от угла, под которым они проходят через материал». Разработав математическую модель, команда смогла объяснить эти различия и точно их предсказать.
Применение исследования
Гигагерцовые звуковые волны широко используются в телекоммуникациях, особенно в устройствах 5G, таких как мобильные телефоны. Это исследование предоставляет новые знания, которые могут быть применены в этих технологиях, а также в других микроэлектронных устройствах и датчиках, использующих звук.
Оно также даёт представление о новой области квантовой акустики, где звуковые волны на мельчайших (квантовых) масштабах используются для передачи информации. Таким образом, эксперимент, проведённый столетия назад, снова открывает новые горизонты.
Предоставлено Лейденским университетом