• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
17.08.2023
Игорь Байдов
8
8 887

Исследователи нашли потенциальный способ передачи звука в космосе

5.0

Физики из Финляндии доказали на практике результативность эффекта «вакуумного туннелирования фононов». При определенных условиях звуковые колебания могут «перепрыгивать» из одного тела в другое даже через вакуумный зазор.

«вакуумного туннелирования фононов»
Эффект «вакуумного туннелирования фононов» в представлении художника / ©University of Jyväskylä / Автор: Messiena Lucretius

Звук — упругие волны, которые распространяются в среде, где есть молекулы, атомы или ионы, через вещество в твердой, жидкой, газообразной и плазменной фазах. Передача звука происходит посредством звуковых волн, то есть звуковых (механических) колебаний в среде, которая эти самые колебания поддерживает.

В космической пустоте звуковые волны распространяться не могут, поскольку там практически нет молекул, атомов и ионов.

В 2010 году физики из нескольких университетов США оспорили утверждение, что звук невозможно передать в пустоте. В своем исследовании они предположили, что звуковые колебания могут «перескакивать» из одного твердого тела в другое через вакуумный зазор субмикронной толщины. Этот эффект получил название «вакуумное туннелирование фононов».

Фонон — квазичастица, квант энер­гии ко­ле­ба­тель­ного дви­же­ния атомов те­ла, которые об­ра­зую­т иде­аль­ную кри­стал­лическую ре­шет­ку. По словам американских физиков, описанный ими эффект работает за счет взаимодействия между электрическим полем и звуковыми волнами в кристалле.

Когда колебания кристаллической решетки «доходят» до одной из граней кристалла, вблизи его поверхности создаются переменные электрические поля, которые затем «чувствуются» на другом краю вакуумного зазора. После чего эти поля раскачивают колебания кристаллической решетки в другом кристалле.

Это можно представить так: один фонон «перепрыгивает» через вакуум из первого кристалла во второй и распространяется в нем дальше, хотя в пространстве между телами фонона нет.

В своей научной работе американские ученые описали несколько механизмов, с помощью которых можно добиться эффективной связи между колебанием кристалла и электрическим полем. Однако на практике эти механизмы до недавнего времени никто не проверял.

Группа физиков из Центра нанотехнологий при Университете Йювяскюля (Финляндия) провела эксперимент и выяснила, как и при каких условиях звуковые волны могут «перепрыгивать» через пустоту, разделяющую два твердых тела. Результаты исследования представлены в журнале Communications Physics.

В эксперименте ученые использовали два одинаковых пьезоэлектрических кристалла на основе оксида цинка. Пьезоэлектрики — вещества, которые электризуются при деформации и деформируются в электрическом поле.

Схема системы, состоящей из двух пьезоэлектрических тел, разделенных вакуумным зазором. Звуковая волна из твердого тела 1 с углом падения θi «перепрыгивает» через вакуумный зазор в твердое тело 2 / ©Geng and Maasilta, Commun. Phys., 2023

Звуковые волны вызывают механическое напряжение. Пьезоэлектрические кристаллы могут преобразовывать это напряжение в электрическое поле, и наоборот. Эти кристаллы растягиваются или сжимаются под действием звуковых волн, в результате преобразованное электрическое поле может изменяться.

Когда звуковая волна достигает края первого кристалла, электрическое поле, связанное с ним и проходящее «сквозь» пустоту, изменится и деформирует другой кристалл — значит, звуковая волна «перескочила» через вакуум от одного тела к другому.

После того как ученые разместили кристаллы в специальной установке друг напротив друга, отделив их вакуумным зазором, один из кристаллов преобразовал электрическую энергию обратно в механическую, и звуковая волна от первого кристалла «перескочила» через зазор к другому. Добиться этого получилось только при определенных условиях: кристаллы разделяло расстояние, не превышающее длину исходной звуковой волны.

Финские физики объяснили, что этот эффект работает с разными диапазонами звуковых частот: как с «герцевым» и «килогерцевым», так и с диапазонами, лежащими ниже диапазона слышимости человека, — с ультразвуком (МГц) и гиперзвуком (ГГц). По мере увеличения частоты вакуумный зазор в эксперименте уменьшался.

«Зачастую звуковая волна перепрыгивала через зазор слабо, однако были случаи, когда она проходила полностью со стопроцентной эффективностью, причем без каких-либо отражений», — объяснил Илари Маасилта, соавтор исследования.

Конечно, этот эксперимент нельзя считать прямым доказательством того, что звуковые волны способны распространяться в вакууме, но зато результаты исследования могут пригодиться в других областях науки. В частности, в разработке микроэлектромеханических компонентов, которые используются в барометрах, датчиках угловых скоростей, гироскопах, акселерометрах.

Интересно, что эксперименты по передаче инфразвука авторы работы не проводили. Если для них работают те же принципы, то достаточно большие пьезокристаллы могут передавать в космической пустоте звуковые волны и на весьма существенные расстояния, ведь длина инфразвуковой волны достигает десятков метров.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Позавчера, 14:03
Александр Березин

В последние годы астрономические наблюдения показали, что уже в самой ранней Вселенной сверхмассивные черные дыры были слишком массивны, чтобы какие-то известные и понятные механизмы могли «дорастить» их до столь больших размеров. Авторы новой научной работы попробовали решить парадокс, комбинируя разные способы роста этих объектов.

Позавчера, 13:11
Алиса Гаджиева

Почти 60 лет назад в Швейцарии нашли скелеты 20 людей, живших две тысячи лет назад и умерших одновременно. Тогда их посчитали жертвами ритуального убийства. Авторы новой работы заявили, что все было совсем не так.

Позавчера, 11:53
Юлия Трепалина

Эксперимент британских исследователей подтвердил связь между размером бюста у женщин и количеством пота в зоне груди, который выделяется во время тренировок. Зависимость оказалась не такой, как можно было ожидать.

17 июня
Игорь Байдов

Американские военные планируют разработать психостимулятор, действие которого можно активировать в мозге с помощью ближнего ИК-излучения. Такая технология поможет пилотам ВВС США сохранять бдительность во время длительных боевых вылетов. Привыкания или побочных эффектов препарат вызывать не будет.

Позавчера, 13:00
Сколтех

Ученые из Сколтеха, Цзилиньского университета и Центра передовых исследований в области науки и технологий высокого давления в Пекине (HPSTAR), а также их немецкие коллеги синтезировали и исследовали новый тип сверхпроводника с высоким содержанием водорода — супергидрид лантана типа A15 с формулой La4H23. Новый материал обладает сверхпроводимостью при температуре ниже −168 градусов и давлении в 1,2 миллиона атмосфер.

Позавчера, 20:03
Юлия Трепалина

Хотя полезным свойствам кофе посвящено много исследований, ученые продолжают делать открытия по этой теме. Недавняя работа китайских медиков показала, что регулярное употребление бодрящего напитка способно в некоторой мере снизить вероятность смерти при малоподвижном образе жизни.

24 мая
Игорь Байдов

С помощью космических и наземных телескопов международная команда астрономов открыла похожий на нашу планету мир в так называемой зоне обитаемости, позволяющей воде существовать на поверхности тела в жидком состоянии. По космическим меркам экзопланета находится достаточно близко к Земле и, вероятно, представляет собой скалистый мир с благоприятным для жизни климатом. Подобные миры астрономы открывают крайне редко.

27 мая
Андрей

Европейские гляциологи, используя первые снимки Восточной Антарктиды 1937 года, а также фотографии середины XX века и современные спутниковые данные, отследили, как менялись ледники в этом регионе на протяжении 85 лет.

10 июня
Александр Березин

Исследователи из США выяснили, что примерно два миллиона лет назад Солнечная система захватила хвост облака холодного межзвездного газа. В результате гелиосфера сильно сжалась, дав галактическим лучам свободно облучать все планеты системы. Это должно было вызвать и серьезные проблемы с климатом.

[miniorange_social_login]

Комментарии

8 Комментариев
Vintik S
18.08.2023
-
0
+
Им еще нобелевку нужно вручить. Грандиозное открытие
Aleksei Savva
17.08.2023
-
0
+
Сенсация! Физики научились передавать звук через вакуум.. используя колебания электрического поля! Вау! Миллинеалы открыли для себя радио?
    Радио -- это электромагнитные волны. В новости речь о туннелировании звуковых волн без излучения электромагнитных волн, распространяющихся через вакуум. То есть, о принципиально ином явлении.
    +
      ещё комментарии
      Через переменное электрическое поле. Заполняющее вакуум. По идее, и магнитное переменное поле должно породиться переменным электрическим полем.
        А оно там заполняет вакуум? Вроде бы в работе электрическое поле только в кристалле. Туннелирование через вакуум идет без него.
          Вот цитата с описанием механизма передачи: "Когда звуковая волна достигает края первого кристалла, электрическое поле, связанное с ним и проходящее «сквозь» пустоту, изменится и деформирует другой кристалл — значит, звуковая волна «перескочила» через вакуум от одного тела к другому."На другой кристалл действует электрическое поле первого кристалла, заполняющее щель между ними. Оно и заставляет ионы второго кристалла двигаться, порождая колебание в нём.
            Я посмотрел еще раз работу, там так: "The phonon carries an electric field, illustrated by þ or signs of polarization in between the wave fronts. The polarization induces an electric field into the vacuum gap 2. The field enables finite transmission over the gap into the thermal bath at temperature T3. The wave fronts of the reflected phonon are not shown. (b) A projection showing the spatial behavior of the phonon waves (u) and of the evanescent electric field (E ¼ EE). The dashed curves depict the ‘‘reflected’’ evanescent field. (c) Scattering of the incoming mode into different propagating modes. qb and p are the propagation and polarization vectors, respectively. (d) The scattering matrix formulation." То есть электрическое поле в вакууме действительно есть, но связано оно с первым кристаллом только в том смысле, что там порождается фонон, который несет это электрическое поле. ,Это не то электрическое поле, которое экспериментаторы приложили к первому кристаллу, и которое породило фонон -- это то, что несет сам фонон. То есть, речь не идет о передаче информации чистой эм-волной -- это делает фонон, квазичастица.
              Фонон — это механические колебания ионов в узлах кристаллической решётки. Когда эти колебания выходят на поверхность кристалла, это колебание зарядов ионов вызывает колебания электрического поля, окружающего их и протянувшегося в щель. Эти колебания электрического поля, проходя через щель, заставляют колебаться ионы на поверхности другого кристалла. Эти колебания ионов распространяются дальше по второму кристаллу в виде фонона. Силовое воздействие через щель передаётся переменны электрическим полем, таким образом. Изменения этого поля создаются колебаниями ионов, охваченных фононом.Через щель проходит только электрическое поле. Его изменения, вызванные пришедшим фононом, инициируют фонон за щелью, во втором кристалле.
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно