Эффект шепчущей галереи помог создать активную акустическую среду

Эффект шепчущей галереи помог создать активную акустическую среду

Физики построили резонатор на модах шепчущей галереи с топологической защитой и активным контролем фазы. Они создавали поверхностное защищенное состояние на границе двух подрешеток фононного кристалла, а для контроля фазы использовали термоакустическое преобразование на углеродных нанотрубках. Изготовленный образец продемонстрировал высокую степень контроля состояний, движущихся в разные стороны резонатора. Исследование опубликовано в Nature.

Акустика как научная дисциплина существует достаточно давно, однако по сравнению с оптикой она изучена и применяется не настолько обширно. К причинам этого можно отнести тот факт, что для распространения звуковых волн требуется среда, а также то, что их генерация происходит в меньшем числе процессов, нежели генерация электромагнитных волн. Наконец, характерная энергия квантов звуковых колебаний — фононов — существенно ниже энергии оптических фотонов. Это можно считать причиной того, почему первые мазеры и лазеры появились только в середине XX века, в то время как сазеры — генераторы когерентных звуковых волн — только в 2010 году.

Принцип генерации звука в сазерах такой же, как и света в лазерах: в активной среде, помещенной в резонатор, создается инверсия населенностей на паре уровней, разница в энергиях которых равна энергии испускаемых фононов, а затем происходит каскад вынужденных переходов. При этом сазеры обладают рядом преимуществ перед лазерами. Например, при той же равной частоте, длина волны звука гораздо меньше, чем у электромагнитной волны, следовательно, их можно сфокусировать в пятно меньшего размера. Поэтому физики постоянно ищут новые подходы к созданию элементной базы для сазеров.

Команда физиков из Испании и Китая под руководством Ин Чэн (Ying Cheng) из Университета Нанджунга экспериментально реализовала акустический резонатор на модах шепчущей галереи с активным контролем свойств звуковых мод. Особенностью их работы стало совместное использование нескольких физических концепций для эффективного управления генерацией, в частности, применение топологически защищенных поверхностных мод, а также преобразования тепла в звук с помощью термоакустической связи в углеродных нанотрубках.

Топологически защищенные поверхностные состояния возникают на стыке двух волновых изоляторов со слегка отличающимися свойствами, в каждом из которых распространение волны подавлено. Такие состояния очень устойчивы по отношению к дефектам и возмущениям, и потому стали перспективной базой для когерентной генерации волн (про лазерную генерацию с их помощью мы недавно рассказывали). Чтобы создать аналогичное акустическое состояние, физики изготовили двумерный фононный кристалл, состоящий из двух подрешеток с разной ориентацией элементарных ячеек. Каждая ячейка представляет собой три плотноупакованных цилиндра, напечатанных на 3D-принтере из ABS-пластика и покрытых пленкой из углеродных нанотрубок с присоединенными управляющими электродами. Такая конструкция позволяет контролировать генерацию звука в каждом месте решетки. Авторы поместили одну подрешетку в окружении другой, создав таким образом замкнутую границу, которая служила резонатором на модах шепчущей галереи для топологически защищенной поверхностной волны.

В обычных условиях волны, двигающиеся в разных направлениях кольцевого резонатора, вырождены, то есть обладают одинаковой энергией. Физики убедились в этом, возбудив в своем образце звуковую волну и записав ее спектр с помощью встроенных в него микрофонов. Однако точный контроль каждого цилиндра в решетке позволил им вносить когерентную фазовую задержку по всему периметру резонатора. В этом случае вырождение снимается, а в спектре появляются боковые компоненты, соответствующие волнам разных направлений, в чем авторы убедились экспериментально. В частном случае, когда полный набег фазы оказался равен 2π, центральная компонента исчезла полностью, что соответствует теоретическим расчетам.

Ученые также продемонстрировали возможность пространственного разделения обеих компонент. Для этого они изготовили новый образец, в котором модифицировали один из углов таким образом, чтобы образовалось два выхода из резонатора. Проведя симуляцию и эксперимент, они убедились, что звуковые волны с различной направленностью выходят из образца через различные выходы.

Физики надеются, что активное усиление звуковых волн в сочетании с топологическими изоляторами сможет открыть новые технологические возможности. В частности, при масштабировании до микро- и нанометрового масштаба топологическая защита может быть полезна для электромеханической фильтрации в телекоммуникационных сетях. Кроме того, изготовление фононных кристаллов с пленками из углеродных нанотрубок позволит создать активные звуковые среды.

Акустические метаматериалы позволяют обнаруживать и проверять разнообразные фундаментальные эффекты. Недавно мы рассказывали, как физики построили акустический изолятор Черна и как они с помощью фотонных кристаллов получили подтверждение парадокса Клейна.

Самые свежие новости медицины на нашей странице в Вконтакте

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>