Дослідники успішно розробили пристрій, який генерує контрольовані імпульси звукоподібних коливань на квантовому рівні. Це відкриття може революціонізувати способи передачі даних через воду та біологічні тканини.
Нова технологія, створена командою з Макгіллського університету та Національної дослідницької ради Канади, виробляє фонони квантові частинки звуку за допомогою електричних струмів при наднизьких температурах. Ця інновація вирішує критичну проблему сучасних систем зв’язку: хоча світло та електрика домінують у поточних мережах, їх важко передати через такі середовища, як океан чи тканини людського тіла, де звукові хвилі працюють найефективніше.
Як працює пристрій
Суть цього винаходу полягає в управлінні електронами всередині двовимірного кристалічного шару завтовшки всього кілька атомів. Коли через цей вузький канал пропускається електричний струм, електрони прискорюються до швидкостей, що перевищують швидкість звуку даному матеріалі.
При русі цих «надзвукових» електронів вони втрачають енергію як фононів. Цей процес створює передбачувані та контрольовані імпульси звукових вібрацій. Однак це явище вкрай тендітне: воно виникає тільки при екстремальному охолодженні. Для забезпечення впорядкованого руху електронів та прояву квантових ефектів пристрій повинен підтримуватися при температурі від 10 мілікельвінів до 3,9 Кельвіна, тобто близько до абсолютного нуля.
«При температурах, близьких до абсолютного нуля… звук не виникає, якщо тільки електрони не рухаються колективно зі швидкістю звуку чи вище», — пояснює Майкл Хілке, доцент кафедри фізики Макгілського університету та співавтор дослідження. “Наше дослідження йде далі, виводячи систему далеко за межі цієї точки”.
Чому це важливо
Сучасна інфраструктура зв’язку значною мірою спирається на електромагнітні хвилі (світло) та електричні струми. Ці сигнали швидко загасають у воді та часто блокуються або розсіюються біологічними тканинами. Звук ефективно поширюється в таких середовищах.
Створивши надійне джерело квантового звуку, вчені закладають основу для фононних лазерів – пристроїв, які посилюватимуть звукові хвилі аналогічно тому, як оптичні лазери підсилюють світло. Це може призвести до появи:
- Глибоководний зв’язок: високошвидкісної передачі даних під водою без використання кабелів або акустичних модемів, які сьогодні працюють повільно і займають багато місця.
Медичній діагностики: точним неінвазивним інструментам зондування, що використовують звукові хвилі для дослідження біологічних матеріалів з більшою чіткістю. - Просунутих датчиків: високочутливим системам виявлення для промислових та наукових застосувань.
Кидання виклику існуючим теоріям
Дослідження також виявило несподівані фізичні явища. Традиційно вважалося, що для виникнення таких квантових ефектів вся система має бути холодною. Проте команда з Макгілла виявила, що навіть якщо основний кристал знаходиться поряд з абсолютним нулем, самі електрони можуть бути дуже гарячими (високоенергетичними) в порівнянні з навколишнім середовищем. Це відкриття вказує на необхідність перегляду існуючих теоретичних моделей, щоб врахувати різницю між температурою матеріалу і енергією частинок, що рухаються через нього.
Майбутні напрямки
Хоча поточний прототип потребує екстремального охолодження, дослідники вже дивляться у бік практичних застосувань. У подальших роботах буде вивчатися можливість використання інших матеріалів, таких як графен, які могли б дозволити пристрою працювати на більш високих швидкостях або при менш екстремальних температурах.
“Фонони складно генерувати і використовувати контрольованим чином, тому ми досліджуємо нові режими роботи”, – сказав Хілке. “У широкому сенсі йдеться про те, як електричний струм і енергія переміщуються і перетворюються всередині передових електронних матеріалів”.
Висновок
Це проривне досягнення є значним кроком до освоєння звуку на квантовому рівні. Перетворюючи електричну енергію на контрольовані звукові вібрації, вчені відкривають нові можливості для зв’язку та зондування в середовищах, де традиційні оптичні технології не справляються.
