Открытие ученых ИТМО поможет создать мощные акустические антенны и сенсоры
«Теорему о несуществовании», постулирующую обязательность затухания колебаний в открытых резонаторах, опровергли ученые Нового физтеха Национального исследовательского университета ИТМО, 25 февраля сообщает пресс-служба вуза.
Физики ИТМО рассчитали формы акустических резонаторов, в которых энергия колебаний не излучается, а остается внутри самого резонатора, не затухая. Результаты исследования, считают ученые, могут быть использованы при создании акустических антенн и сенсоров.
Возможность существования таких квантово-механических систем, в которых не происходит обмена энергии с окружающим пространством, была предсказана в 1929 году Юджином Вигнером и Джоном фон Нейманом. Такие состояния системы получили называние «связанные состояния в континууме» (ССК). Однако по «теореме о несуществовании» такие состояния не могут существовать в системах конечного размера.
Лазейка в теореме, которую обнаружили физики ИТМО, работает только для акустических колебаний. Аспирант физического факультета Илья Дерий и первый автор статьи в Physical Review Letters, с описанием выполненного исследования, пояснил, что причина в более сложной структуре акустических колебаний:
«Волновые колебания бывают либо продольными, либо поперечными. И в то время как в твердых телах у нас возможны и те, и другие, в жидкостях могут возникать только продольные колебания. В этом и заключается основная фишка: если мы возьмем твердый объект и возбудим в нём чисто поперечные колебания, они никаким образом не смогут возбудить продольные колебания в жидкостях. Соответственно, у нас получается открытая система, но обмена энергией не происходит. И такие колебания могут жить очень долго, пока не затухнут за счет потерь в самом материале резонатора».
Ученый рассказал, что при разработке формы такого резонатора нужно было учесть ряд требований. Во-первых, у него должна быть вращательная симметрия. Разработчики остановились на сфере, у которой верхняя и нижняя половины одновременно крутятся в противоположном направлении, но сама форма не меняется.
Онако даже при небольшом ее изменении, например сплющивании, сфера будет производить звуковые колебания. То же справедливо для любого тела вращения, например, в цилиндре или сфероиде.
Второе — среда в резонаторе должна обладать низкой вязкостью. В противном случае резко понижается добротность системы из-за внутреннего затухания. Поэтому предпочтительнее всего вода или газ.
Третье требование — добротность будет выше, если материал резонатора должен иметь минимальное количество нарушений структуры. Однако два последних требования не опровергают сделанные ими расчеты, так как их задачей было доказать отсутствие излучения вне системы:
«Мы показали, что можно найти связанные состояния в континууме в конечных акустических структурах благодаря несоответствию между поляризацией ССК и волн в окружающем пространстве. В своей статье мы их так и назвали: „polarization-protected acoustic bound states in the continuum“, то есть связанные состояния в континууме, защищенные поляризацией».
В дальнейшей своей работе ученые сосредоточатся на исследовании массива из множества резонаторов, в котором настоящие и квазисостояния будут контролироваться простым изменением их формы. Они считают, что эта работа может стать основой для акустических метаповерхностей, которые можно будет использовать для создания сверхэффективных шумоизоляторов, акустических антенн и сенсоров.
