Perfekt transmission gennem barriere ved hjælp af lyd

Den perfekte transmission af lyd gennem en barriere er svær at opnå, hvis ikke umuligt baseret på vores eksisterende viden. Dette gælder også med andre energiformer såsom lys og varme.

Et forskerhold ledet af professor Xiang Zhang, Præsident for University of Hong Kong (HKU), da han var professor ved University of California, Berkeley, (UC Berkeley) har for første gang eksperimentelt bevist en århundrede gammel kvanteteori om, at relativistiske partikler kan passere gennem en barriere med 100% transmission. Forskningsresultaterne er blevet offentliggjort i det bedste akademiske tidsskrift Videnskab .

Ligesom det ville være svært for os at hoppe over en tyk høj mur, uden at der er akkumuleret nok energi. I modsætning, det forudsiges, at en mikroskopisk partikel i kvanteverdenen kan passere gennem en barriere langt ud over dens energi uanset højden eller bredden af ​​barrieren, som om den er "gennemsigtig".

Allerede i 1929 teoretisk fysiker Oscar Klein foreslog, at en relativistisk partikel kan trænge ind i en potentiel barriere med 100% transmission ved normal forekomst på barrieren. Forskere kaldte dette eksotiske og kontraintuitive fænomen for "Klein tunneling"-teorien. I de følgende 100 ulige år, forskere prøvede forskellige tilgange til eksperimentelt at teste Klein tunneling, men forsøgene var mislykkede, og der mangler stadig direkte eksperimentelle beviser.

Professor Zhangs team udførte eksperimentet i kunstigt designede fononiske krystaller med trekantet gitter. Gitterets lineære dispersionsegenskaber gør det muligt at efterligne den relativistiske Dirac kvasipartikel ved lydexcitation, som førte til den vellykkede eksperimentelle observation af Klein tunneling.

"Dette er en spændende opdagelse. Kvantefysikere har altid forsøgt at observere Klein-tunnel i elementære partikeleksperimenter, men det er en meget svær opgave. Vi designede en fononisk krystal, der ligner grafen, der kan excitere de relativistiske kvasipartikler, men i modsætning til naturligt materiale af grafen, geometrien af ​​den menneskeskabte fononiske krystal kan justeres frit for præcist at opnå de ideelle forhold, der gjorde det muligt for den første direkte observation af Klein tunneling, " sagde professor Zhang.

Præstationen repræsenterer ikke kun et gennembrud inden for grundlæggende fysik, men præsenterer også en ny platform til at udforske nye makroskalasystemer, der skal bruges i applikationer såsom on-chip logiske enheder til lydmanipulation, akustisk signalbehandling, og sund energihøst.

"I den nuværende akustiske kommunikation, transmissionstabet af akustisk energi på grænsefladen er uundgåeligt. Hvis transmittansen på grænsefladen kan øges til næsten 100 %, effektiviteten af ​​akustisk kommunikation kan forbedres betydeligt, dermed åbne op for banebrydende applikationer. Dette er især vigtigt, når overfladen eller grænsefladen spiller en rolle i at hindre nøjagtigheden af ​​akustisk detektion, såsom undervandsudforskning. Den eksperimentelle måling er også befordrende for den fremtidige udvikling af undersøgelse af kvasipartikler med topologiske egenskaber i fononiske krystaller, som kan være vanskelige at udføre i andre systemer, " sagde Dr. Xue Jiang, tidligere medlem af Zhangs team og i øjeblikket Associate Researcher ved Institut for Elektronikteknik ved Fudan University.

Dr. Jiang påpegede, at forskningsresultaterne også kunne gavne det biomedicinske udstyr. Det kan hjælpe med at forbedre nøjagtigheden af ​​ultralydsgennemtrængning gennem forhindringer og nå udpegede mål såsom væv eller organer, som kunne forbedre ultralydspræcisionen for bedre diagnose og behandling.

På baggrund af de nuværende forsøg, forskere kan kontrollere massen og spredningen af ​​kvasipartiklerne ved at excitere de fononiske krystaller med forskellige frekvenser, opnår således fleksibel eksperimentel konfiguration og on/off kontrol af Klein tunneling. Denne tilgang kan udvides til andre kunstige strukturer til studiet af optik og termotik. Det tillader den hidtil usete kontrol af kvasipartikel eller bølgefront, og bidrager til udforskningen af ​​andre komplekse kvantefysiske fænomener.