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中國科學家:通過聲音完美地通過屏障傳輸


量子認知學者代表作:戒癮論,科學達人,優質創作者就像我們在沒有足夠的能量積累的情況下跳過厚厚的高牆一樣困難。相比之下,可以預見的是,量子世界...

- 2020年12月27日14時55分
- 科學文摘 /

量子認知

學者 代表作: 戒癮論,科學達人,優質創作者

就像我們在沒有足夠的能量積累的情況下跳過厚厚的高牆一樣困難。相比之下,可以預見的是,量子世界中的微觀粒子可以通過一個遠遠超出其能量的屏障,而不管該屏障的高度或寬度如何,就像它是“透明的”一樣。

早在1929年,理論物理學家奧斯卡·克萊因(Oscar Klein)提出,相對論粒子可以在勢壘正常入射時以100%的透射率穿透勢壘。科學家將這種奇異而違反直覺的現象稱為“克萊因隧道效應”理論。在接下來的100多年裏,科學家嘗試了各種方法來對克萊因隧道進行實驗測試,但嘗試均未成功,一直缺乏直接的實驗證據。

張教授團隊在人工設計的具有三角晶格的聲子晶體中進行了實驗。晶格的線性彌散特性使通過聲激發來模仿相對論狄拉克准粒子成為可能,從而成功地進行了克萊因隧道效應的實驗觀察。

如圖所示實驗裝置:人造聲子晶體是由研究團隊設計和制造的。揚聲器陣列發出的聲音通常從右側傳播,並激發聲子晶體內部的相對論准粒子。微型麥克風連接到3D運動馬達上,以掃描壓力場。

張教授說,“這是一個令人興奮的發現。量子物理學家一直試圖在基本粒子實驗中觀察克萊因隧道效應,但這是一項非常艱巨的任務。我們設計了一種類似於石墨烯的聲子晶體,可以激發相對論性准粒子,但不同於石墨烯的天然材料。人造聲子晶體的幾何形狀可以自由調節,以精確地達到理想的條件,從而可以首次直接觀察克萊因隧道效應。”

這一成就不僅代表了基礎物理學的突破,而且為探索新興的宏系統提供了一個新平台,這些宏系統將用於諸如聲音處理,聲音信號處理和聲音能量收集的片上邏輯設備等應用。如圖所示聲子晶體是通過人工將丙烯酸柱以特殊圖案放置而成的。

論文第一作者江雪(Xue Jiang),張教授團隊前成員,目前是複旦大學電子工程系副研究員,她說。“在當前的聲通信中,不可避免地會發生聲能在接口上的傳輸損耗。如果可以將接口上的透射率提高到接近100%,那麼聲通信的效率就可以大大提高,從而開辟了前沿的應用領域。當表面或界面在阻礙諸如水下勘探等聲學檢測的准確性方面發揮重要作用時,這一點尤為重要,實驗測量也有利於研究在聲子晶體中具有拓撲性質的准粒子,而這些粒子可能難以在聲子晶體其他系統中執行。”

江雪指出,這項研究結果也可能使生物醫學設備受益。它可能有助於提高超聲穿透障礙物的精確度,並達到指定的目標,例如組織或器官,從而可以提高超聲精度,從而更好地進行診斷和治療。

在當前實驗的基礎上,研究人員可以通過激發不同頻率的聲子晶體來控制准粒子的質量和擴散,從而實現靈活的實驗配置和克萊因隧道的開/關控制。這種方法可以擴展到其它人工結構,以研究光學和熱學。它允許對准粒子或波前的空前控制,並有助於探索其它複雜的量子物理現象。


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