Исследовательская группа из POSTECH и национального университета Чонбук совершила радикальный прорыв в физике волн, впервые в истории полностью заперев механическую волну внутри одного цилиндрического резонатора. Эксперимент, результаты которого опубликованы 3 апреля в журнале Physical Review Letters, решает загадку, волновавшую ученых почти сто лет: как создать так называемое связанное состояние в континууме (BIC) в одиночном объекте.
Технологии на основе резонанса — от смартфонов до ультразвуковых аппаратов и радиоприемников — используют явление, при котором волны усиливаются на определенных частотах. Однако обычные резонаторы всегда теряют часть энергии, из-за чего их работу приходится постоянно подпитывать. Почти век назад Нобелевские лауреаты Джон фон Нейман и Юджин Вигнер предположили, что при особых условиях можно добиться полной локализации волн без потерь энергии, но до сих пор это удавалось только в сложных многокомпонентных системах.
Южнокорейские ученые построили уникальную механическую платформу из кварцевых цилиндрических гранул. Экспериментаторы тонко регулировали точки соприкосновения между цилиндрами, управляя взаимодействием механических волн. В одном из режимов им удалось создать условия, при которых волновое возбуждение оставалось полностью внутри одного цилиндра, не передавая энергии наружу. Это явление получило название «поляризационно-защищенное связанное состояние в континууме» (polarization-protected BIC).
Впервые такое состояние было не только рассчитано теоретически, но и зафиксировано экспериментально. Ключевой индикатор эффективности — добротность (Q-фактор) системы — превысил 1000, что говорит о минимальных потерях энергии и высокой эффективности хранения волновой энергии.
Исследователи пошли дальше: они объединили несколько таких цилиндров в цепочку и обнаружили, что локализованные волновые состояния могут распространяться по всей цепи, не рассеиваясь. Это явление получило название «плоская зона» (flat band): аналогично тому, как если бы круги на воде, вызванные броском камня, оставались бы неподвижными и не расходились по поверхности. Как отметил ведущий автор работы доктор Ёнтэ Чжан: «Это похоже на то, как если бы вы бросили камень в спокойный пруд и увидели, что круги остаются на месте, вибрируя только локально».
В рамках новой парадигмы ученые ввели термин «связанные полосы в континууме» (BBIC, bound band in the continuum). Управление такими состояниями открывает путь к созданию устройств нового поколения: для сбора энергии, сверхчувствительных сенсоров, продвинутых коммуникационных систем.
«Мы сломали давнюю теоретическую преграду», — подчеркнул руководитель проекта профессор Чунсук Ро. По его словам, хотя работа пока остается фундаментальной, она может стать базой для появления энергоэффективных устройств, новых сенсорных и сигнальных технологий.
В эксперименте использовались кварцевые цилиндрические гранулы, а сам эффект впервые доказан на простейшей однокомпонентной системе. Это ставит под сомнение устоявшееся мнение о невозможности полного захвата волны в одиночном резонаторе и открывает новые горизонты для физики и инженерии.
Изображение носит иллюстративный характер
Технологии на основе резонанса — от смартфонов до ультразвуковых аппаратов и радиоприемников — используют явление, при котором волны усиливаются на определенных частотах. Однако обычные резонаторы всегда теряют часть энергии, из-за чего их работу приходится постоянно подпитывать. Почти век назад Нобелевские лауреаты Джон фон Нейман и Юджин Вигнер предположили, что при особых условиях можно добиться полной локализации волн без потерь энергии, но до сих пор это удавалось только в сложных многокомпонентных системах.
Южнокорейские ученые построили уникальную механическую платформу из кварцевых цилиндрических гранул. Экспериментаторы тонко регулировали точки соприкосновения между цилиндрами, управляя взаимодействием механических волн. В одном из режимов им удалось создать условия, при которых волновое возбуждение оставалось полностью внутри одного цилиндра, не передавая энергии наружу. Это явление получило название «поляризационно-защищенное связанное состояние в континууме» (polarization-protected BIC).
Впервые такое состояние было не только рассчитано теоретически, но и зафиксировано экспериментально. Ключевой индикатор эффективности — добротность (Q-фактор) системы — превысил 1000, что говорит о минимальных потерях энергии и высокой эффективности хранения волновой энергии.
Исследователи пошли дальше: они объединили несколько таких цилиндров в цепочку и обнаружили, что локализованные волновые состояния могут распространяться по всей цепи, не рассеиваясь. Это явление получило название «плоская зона» (flat band): аналогично тому, как если бы круги на воде, вызванные броском камня, оставались бы неподвижными и не расходились по поверхности. Как отметил ведущий автор работы доктор Ёнтэ Чжан: «Это похоже на то, как если бы вы бросили камень в спокойный пруд и увидели, что круги остаются на месте, вибрируя только локально».
В рамках новой парадигмы ученые ввели термин «связанные полосы в континууме» (BBIC, bound band in the continuum). Управление такими состояниями открывает путь к созданию устройств нового поколения: для сбора энергии, сверхчувствительных сенсоров, продвинутых коммуникационных систем.
«Мы сломали давнюю теоретическую преграду», — подчеркнул руководитель проекта профессор Чунсук Ро. По его словам, хотя работа пока остается фундаментальной, она может стать базой для появления энергоэффективных устройств, новых сенсорных и сигнальных технологий.
В эксперименте использовались кварцевые цилиндрические гранулы, а сам эффект впервые доказан на простейшей однокомпонентной системе. Это ставит под сомнение устоявшееся мнение о невозможности полного захвата волны в одиночном резонаторе и открывает новые горизонты для физики и инженерии.
