Ученые Нового физтеха Университета ИТМО смогли опровергнуть «теорему о несуществовании». Согласно этому закону колебания в открытых резонансных системах должны затухать, излучая энергию в окружающее пространство. Однако физикам удалось рассчитать формы акустических резонаторов, для которых эта теорема нарушается. В найденных системах энергия колебаний не излучается, а остается внутри самого резонатора. Результаты исследования помогут в создании акустических антенн и сенсоров.
При ударе в барабан будут заметны механические колебания его мембраны, которые и порождают звук. Мембрана в этом примере выступает в качестве резонатора или открытой системы. Со временем колебания в подобных системах всегда затухают, так как их энергия переходит в энергию окружающего пространства. Однако в 1929 году физики Юджин Вигнер и Джон фон Нейман предсказали существование квантово-механических резонаторов, которые способны не рассеивать колебания во вне, а бесконечно сохранять излучение внутри. Этот феномен был назван связанными состояниями в континууме. Изначально он применялся только в квантовой механике, но затем его стали исследовать в других направлениях — оптике и акустике. Однако позже появилась «Теорема о несуществовании», опровергающая возможность воплощения таких резонаторов в реальном эксперименте.
Ученые Нового физтеха ИТМО спустя почти столетие смогли открыть прямой аналог неизлучающих квантово-механических состояний, предсказанных Юджином Вигнером и Джоном фон Нейманом, тем самым опровергнув, казалось бы, нерушимый закон.
«Мы смогли доказать существование акустических резонаторов, где колебания не обмениваются энергией с окружающим пространством. Энергия может находиться в резонаторе настолько долго, насколько это позволяют свойства материала. Чтобы все сработало, необходимо соблюсти ряд условий. Самое важное — это симметрия. Резонатор должен быть телом вращения. Например, сферой или цилиндром, половинки которых вращаются в разных направлениях. Также такую систему в идеале поместить в среду с низкой вязкостью — газ или воду. Поскольку сильно вязкая жидкость будет “цепляться” за поверхность резонатора и ослаблять колебания. И, наконец, на продолжительность колебаний влияет и состав резонатора. Материал должен быть изотропным: иметь одинаковые свойства во всех направлениях. То есть если в нем будет много примесей или дефектов, то он навряд ли подойдет», — объясняет Илья Дерий, аспирант физического факультета ИТМО и первый автор работы.
Компактные акустические резонаторы, поддерживающие связанные состояния в континууме, могут стать основной для шумоизоляторов, акустических антенн и биосенсоров для детектирования молекул. На следующем этапе исследования ученые планируют воссоздать предложенную ими систему в эксперименте, а также исследовать метаповерхности из множества резонаторов.
Информация предоставлена пресс-службой Университета ИТМО
Источник фото: news.itmo.ru
Разместила Ирина Усик
Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)
Journal information