Vědci úspěšně vyvinuli zařízení, které generuje řízené pulsy zvukových vibrací na kvantové úrovni. Tento objev by mohl způsobit revoluci ve způsobu přenosu dat prostřednictvím vody a biologické tkáně.
Nová technologie, kterou vytvořil tým z McGill University a National Research Council of Canada, produkuje fonony – kvantové částice zvuku – pomocí elektrických proudů při extrémně nízkých teplotách. Tato inovace řeší kritický problém moderních komunikačních systémů: ačkoli světlo a elektřina dominují současným sítím, je obtížné je přenášet prostřednictvím médií, jako je oceán nebo tkáň lidského těla, kde zvukové vlny fungují nejúčinněji.
Jak zařízení funguje
Podstatou tohoto vynálezu je řízení elektronů uvnitř dvourozměrné krystalické vrstvy o tloušťce jen několika atomů. Když elektrický proud prochází tímto úzkým kanálem, elektrony jsou urychleny na rychlosti přesahující rychlost zvuku v materiálu.
Jak se tyto „nadzvukové“ elektrony pohybují, ztrácejí energii ve formě fononů. Tento proces vytváří předvídatelné a řízené pulzy zvukových vibrací. Tento jev je však extrémně křehký: dochází k němu pouze při extrémním ochlazení. Aby byl zajištěn uspořádaný pohyb elektronů a projev kvantových efektů, musí být zařízení udržováno na teplotě mezi 10 milikelvinů a 3,9 kelvinů – tedy blízko absolutní nuly.
„Při teplotách blízkých absolutní nule… se zvuk nevyskytuje, pokud se elektrony společně nepohybují rychlostí zvuku nebo nad ní,“ vysvětluje Michael Hilke, odborný asistent fyziky na McGill University a spoluautor studie. “Náš výzkum jde dále a posunuje systém daleko za tento bod.”
Proč je to důležité?
Moderní komunikační infrastruktura se do značné míry spoléhá na elektromagnetické vlny (světlo) a elektrické proudy. Tyto signály se ve vodě rychle zeslabují a jsou často blokovány nebo rozptýleny biologickými tkáněmi. Zvuk se v takových prostředích šíří efektivně.
Vytvořením spolehlivého zdroje kvantového zvuku pokládají vědci základy pro fononové lasery – zařízení, která budou zesilovat zvukové vlny podobným způsobem, jakým optické lasery zesilují světlo. To může mít za následek:
- Deep Sea Communications: Vysokorychlostní přenos dat pod vodou bez použití kabelů nebo akustických modemů, které jsou dnes pomalé a náročné na prostor.
- Lékařská diagnostika: Přesné, neinvazivní snímací přístroje, které využívají zvukové vlny ke zkoumání biologických materiálů s větší jasností.
- Pokročilé senzory: Vysoce citlivé detekční systémy pro průmyslové a vědecké aplikace.
Náročné existující teorie
Studie také odhalila neočekávané fyzikální jevy. Tradičně se věřilo, že aby k takovým kvantovým efektům došlo, musí být celý systém studený. Nicméně tým McGill zjistil, že i když je hostitelský krystal blízko absolutní nuly, samotné elektrony mohou být „velmi horké“ (vysoká energie) ve srovnání s jejich okolím. Tento objev poukazuje na potřebu revidovat stávající teoretické modely, aby zohlednily rozdíl mezi teplotou materiálu a energií částic, které se jím pohybují.
Budoucí směry
Přestože současný prototyp vyžaduje extrémní chlazení, výzkumníci se již poohlíží po praktických aplikacích. Budoucí práce prozkoumají možnost použití dalších materiálů, jako je grafen, které by mohly umožnit zařízení pracovat při vyšších rychlostech nebo při méně extrémních teplotách.
“Fonony je obtížné generovat a používat kontrolovaným způsobem, takže zkoumáme nové způsoby provozu,” řekl Hilke. “Široce řečeno, jde o to, jak se elektrický proud a energie pohybují a transformují v pokročilých elektronických materiálech.”
Závěr
Tento průlomový úspěch představuje významný krok ke zvládnutí zvuku na kvantové úrovni. Přeměnou elektrické energie na řízené zvukové vibrace vědci otevírají nové možnosti pro komunikaci a snímání v prostředích, kde tradiční optické technologie selhávají.
