Прохождение сквозь стены: как физики научили звук обманывать препятствия

Мир квантовой физики полон удивительных явлений, которые кажутся противоречащими здравому смыслу. Одно из них — туннелирование Клейна, позволяющее частицам проходить сквозь энергетические барьеры, словно их и нет вовсе. До недавнего времени этот эффект наблюдали только в микромире электронов и фотонов, но ученым удалось расширить его границы и на звуковые волны.

В статье, опубликованной в журнале Device, исследователи из США и Китая описали эксперимент, в котором звуковые волны гигагерцового диапазона успешно преодолевали искусственно созданные препятствия благодаря эффекту туннелирования Клейна. Для этого они использовали микроэлектромеханические метаматериалы на основе нитрида алюминия, сформированные в виде «акустического графена» — структуры, имитирующей свойства знаменитого двумерного материала.

Секрет успеха заключается в особой геометрии метаматериала, напоминающей пчелиные соты. В такой структуре звуковые волны ведут себя подобно электронам в графене, приобретая свойства безмассовых частиц, подчиняющихся законам релятивистской физики. Именно эта «релятивистская» природа звука позволяет ему проходить сквозь энергетические барьеры, не испытывая отражения.

Для наблюдения за этим необычным явлением исследователи использовали метод микроскопии импеданса в режиме пропускания микроволн. Этот метод позволил им визуализировать распределение звуковых волн в пространстве и подтвердить, что при определенных условиях звук практически беспрепятственно проходит сквозь барьер.

Открытие ученых имеет огромный потенциал для создания новых акустических устройств. В первую очередь, это касается фильтров, способных эффективно выделять нужные звуковые частоты и подавлять посторонние шумы. Кроме того, туннелирование Клейна может быть использовано для создания акустических волноводов, позволяющих направлять звук по заданным траекториям.

В будущем исследователи планируют расширить свои эксперименты на более высокие частоты, что может открыть дорогу к созданию акустических устройств для квантовых вычислений. Не исключено, что в будущем звук станет неотъемлемой частью квантовых компьютеров, помогая им обрабатывать информацию с невероятной скоростью.

Таким образом, туннелирование Клейна, казавшееся экзотическим эффектом микромира, находит свое применение в макроскопических устройствах, работающих со звуком. Это открытие не только расширяет наши представления о природе звука, но и открывает новые возможности для создания передовых технологий, которые изменят наш мир.