Naukowcom udało się opracować urządzenie generujące kontrolowane impulsy wibracji dźwiękopodobnych na poziomie kwantowym. Odkrycie to może zrewolucjonizować sposób przesyłania danych przez wodę i tkankę biologiczną.
Nowa technologia, stworzona przez zespół z McGill University i Kanadyjską Krajową Radę ds. Badań, wytwarza fonony – kwantowe cząstki dźwięku – za pomocą prądu elektrycznego w bardzo niskich temperaturach. Ta innowacja rozwiązuje krytyczny problem współczesnych systemów komunikacyjnych: chociaż w obecnych sieciach dominują światło i elektryczność, trudno jest je przesyłać za pośrednictwem mediów takich jak ocean czy tkanka ludzkiego ciała, gdzie fale dźwiękowe działają najskuteczniej.
Jak działa urządzenie
Istotą tego wynalazku jest kontrolowanie elektronów wewnątrz dwuwymiarowej warstwy krystalicznej o grubości zaledwie kilku atomów. Gdy przez ten wąski kanał przepływa prąd elektryczny, elektrony przyspieszają do prędkości przekraczających prędkość dźwięku w materiale.
Gdy te „naddźwiękowe” elektrony się poruszają, tracą energię w postaci fononów. Proces ten powoduje powstawanie przewidywalnych i kontrolowanych impulsów wibracji dźwiękowych. Jednak zjawisko to jest niezwykle delikatne: występuje tylko w przypadku ekstremalnego chłodzenia. Aby zapewnić uporządkowany ruch elektronów i manifestację efektów kwantowych, urządzenie należy utrzymywać w temperaturze od 10 milikelwinów do 3,9 kelwina – czyli blisko zera absolutnego.
„W temperaturach bliskich zera absolutnego… dźwięk nie pojawia się, jeśli elektrony nie poruszają się wspólnie z prędkością dźwięku lub większą” – wyjaśnia Michael Hilke, adiunkt fizyki na Uniwersytecie McGill i współautor badania. „Nasze badania idą dalej, wynosząc system znacznie poza ten punkt”.
Dlaczego to jest ważne?
Nowoczesna infrastruktura komunikacyjna w dużym stopniu opiera się na falach elektromagnetycznych (światle) i prądach elektrycznych. Sygnały te szybko tłumią się w wodzie i często są blokowane lub rozpraszane przez tkanki biologiczne. W takich środowiskach dźwięk rozchodzi się efektywnie.
Tworząc niezawodne źródło dźwięku kwantowego, naukowcy kładą podwaliny pod lasery fononowe — urządzenia, które będą wzmacniać fale dźwiękowe w podobny sposób, w jaki lasery optyczne wzmacniają światło. Może to spowodować:
- Komunikacja głębinowa: Szybka transmisja danych pod wodą bez użycia kabli i modemów akustycznych, które obecnie są powolne i zajmują mało miejsca.
- Diagnostyka medyczna: Precyzyjne, nieinwazyjne instrumenty czujnikowe, które wykorzystują fale dźwiękowe do badania materiałów biologicznych z większą przejrzystością.
- Zaawansowane czujniki: Bardzo czułe systemy detekcji do zastosowań przemysłowych i naukowych.
Podważanie istniejących teorii
Badanie ujawniło także nieoczekiwane zjawiska fizyczne. Tradycyjnie uważano, że aby wystąpiły takie efekty kwantowe, cały układ musi być zimny. Jednak zespół McGill odkrył, że nawet jeśli kryształ macierzysty jest bliski zeru absolutnego, same elektrony mogą być „bardzo gorące” (wysoka energia) w porównaniu z otoczeniem. Odkrycie to wskazuje na potrzebę rewizji istniejących modeli teoretycznych w celu uwzględnienia różnicy pomiędzy temperaturą materiału a energią poruszających się w nim cząstek.
Przyszłe kierunki
Chociaż obecny prototyp wymaga ekstremalnego chłodzenia, naukowcy już szukają praktycznych zastosowań. W przyszłych pracach zbadana zostanie możliwość wykorzystania innych materiałów, takich jak grafen, co umożliwiłoby urządzeniu działanie przy wyższych prędkościach lub w mniej ekstremalnych temperaturach.
„Fonony są trudne do wygenerowania i wykorzystania w kontrolowany sposób, dlatego badamy nowe sposoby działania” – powiedział Hilke. „Mówiąc ogólnie, chodzi o to, jak prąd i energia poruszają się i przekształcają w zaawansowanych materiałach elektronicznych”.
Wniosek
To przełomowe osiągnięcie stanowi znaczący krok w kierunku opanowania dźwięku na poziomie kwantowym. Przekształcając energię elektryczną w kontrolowane wibracje dźwiękowe, naukowcy otwierają nowe możliwości komunikacji i wykrywania w środowiskach, w których zawodzą tradycyjne technologie optyczne.
