Sata vuotta vanhan fysiikan esteen murtaminen

Ryhmä on POSTECH (Pohang University of Science and Technology) ja Jeonbuk National Universityn yhteinen tutkimusryhmä on onnistuneesti osoittanut mekaanisten aaltojen täydellisen sulkemisen yhteen resonaattoriin – mitä pitkään pidettiin teoriassa mahdottomaksi.

Tutkijat saavuttavat täydellisen aallonpysäytystoiminnon yksinkertaisilla sylintereillä. Havainnot merkitsevät suurta läpimurtoa vuosisadan vanhassa jatkumon sidottujen tilojen mysteerissä (bound states in the continuum BIC).

Monet ympärillämme olevat tekniikat – älypuhelimista ja ultraäänilaitteista radioihin – perustuvat resonanssiin, ilmiöön, jossa aallot vahvistuvat tietyillä taajuuksilla. Tyypilliset resonaattorit kuitenkin menettävät energiaa vähitellen ajan myötä, mikä vaatii jatkuvaa energiansyöttöä toimintansa ylläpitämiseksi.

Melkein sata vuotta sitten Nobel-palkitut John von Neumann ja Eugene Wigner ehdottivat intuitiivista vastakkaista käsitettä: tietyissä olosuhteissa aallot voisivat jäädä loukkuun loputtomiin ilman energiavuotoa. Nämä niin sanotut sidotut tilat jatkumot (BIC) ovat kuin pyörteitä, jotka pysyvät paikoillaan, vaikka joki virtaa niiden ympärillä. Mutta vuosikymmenien ajan tiedemiehet uskoivat, että tämä ilmiö ei voinut olla olemassa kompaktissa, yhden hiukkasen järjestelmässä.

Nyt tutkimusryhmä on rikkonut tämän pitkään jatkuneen teoreettisen rajan toteuttamalla onnistuneesti BIC:n yksittäisessä hiukkasessa.

Käyttämällä sylinterimäisiä rakeisia hiukkasia - pieniä kiinteitä kvartsista valmistettuja sauvoja - tutkijat rakensivat erittäin viritettävän mekaanisen alustan. Säätämällä tarkasti, kuinka sylinterit koskettavat toisiaan, he saattoivat hallita tapaa, jolla mekaaniset aallot toimivat vuorovaikutuksessa kontaktirajoilla.

Erikoiskohdistuksessa aaltomoodi rajoittui täysin yhteen sylinteriin ilman, että energiaa pääsisi ympäröivään rakenteeseen. Tämä niin kutsuttu polarisaatiosuojattu BIC ei ollut vain teoreettinen vaan nyt se havaittiin todellisissa kokeissa. Vielä merkittävämpää on, että järjestelmä saavutti tuhannen Q-arvot, mikä mittaa kuinka tehokkaasti resonaattori varastoi energiaa minimaalisella häviöllä.

Mitä tapahtuu, kun monet näistä erikoissylintereistä on kytketty ketjuun? Tiimi havaitsi, että loukkuun jääneet aaltomuodot voivat ulottua koko ketjun läpi hajoamatta - ilmiö tunnetaan litteänä kaistana.

"Se on kuin heittäisi kiven tyynelle lammelle ja näkisi aaltoilun pysyvän liikkumattomina ja värähtelevän vain paikallaan", sanoi johtava kirjoittaja tohtori Yeongtae Jang. "Vaikka järjestelmä sallii aaltoliikkeen, energia ei leviä - se pysyy täydellisesti rajoitettuna."

Tätä käyttäytymistä kuvataan sidotuksi kaistaksi jatkumossa (BBIC), ja se avaa uusia mahdollisuuksia energian keräämiseen, erittäin herkille antureille ja jopa edistyneelle tietoliikenteelle.

"Olemme rikkoneet pitkään jatkuneen teoreettisen rajan", sanoi tutkimusta johtava professori Junsuk Rho. "Vaikka tämä on vielä perustutkimusvaiheessa, vaikutukset ovat merkittäviä - pienihäviöisistä energialaitteista seuraavan sukupolven tunnistus- ja signaaliteknologioihin."

Aiheesta aiemmin:

Fotonien napakymppi ja tehokas ylösmuunnos

Uudenlaisia lasereita