Πώς ο ήχος και το φως δρουν όμοια – και πώς όχι – στην πιο μικρή κλίμακα

Ένα παγκοσμίου φήμης πείραμα φωτός από το 1801 πραγματοποιήθηκε τώρα για πρώτη φορά με ήχο. Έρευνα φυσικών στο Leiden παρήγαγε νέες γνώσεις που μπορούν να εφαρμοστούν σε συσκευές 5G και στον αναδυόμενο τομέα της κβαντικής ακουστικής. Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο Optics Letters.

Ο υποψήφιος διδάκτορας Thomas Steenbergen λέει:

«Είδαμε ότι τα ηχητικά κύματα σε υλικά συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο όπως το φως, αλλά και ελαφρώς διαφορετικά. Με ένα μαθηματικό μοντέλο μπορούμε πλέον να εξηγήσουμε και να προβλέψουμε αυτήν τη συμπεριφορά».

Το διάσημο πείραμα διπλής σχισμής του Young

Το διάσημο πείραμα διπλής σχισμής του Young ήταν το πρώτο που έδειξε ότι το φως άλλοτε συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο και άλλοτε σαν κύμα. Στο πείραμα, φως περνούσε μέσα από δύο στενές σχισμές. Πίσω από αυτές, τα κύματα είτε ενισχύονταν είτε ακυρώνονταν λόγω συμβολής, δημιουργώντας ένα μοτίβο φωτεινών και σκοτεινών λωρίδων – ένα μοτίβο συμβολής.

Το ίδιο πείραμα έγινε αργότερα με σωματίδια, δείχνοντας ότι όλα μπορούν να εκδηλώσουν τόσο σωματιδιακή όσο και κυματική συμπεριφορά. Με τα χρόνια, το πείραμα διπλής σχισμής πραγματοποιήθηκε με κάθε είδους κβαντικά αντικείμενα, από ηλεκτρόνια και νετρόνια μέχρι buckyballs, μόρια με 60 άτομα άνθρακα.

Τώρα με ήχο αντί για φως

Ο Steenbergen και ο συνάδελφος Löffler ήθελαν να κατανοήσουν πώς ακριβώς συμπεριφέρεται ο ήχος στην πιο μικρή κλίμακα. Το πείραμα διπλής σχισμής προσφέρει σημαντικά στοιχεία. Με τη δική του διάταξη, ο Steenbergen βασίστηκε σε ένα ερευνητικό έργο που ξεκίνησε ο προπτυχιακός φοιτητής Krystian Czerniak.

Στο πείραμα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ηχητικά κύματα γιγαχέρτζ, που πάλλονται ένα δισεκατομμύριο φορές το δευτερόλεπτο – πολύ πέρα από το όριο ακοής του ανθρώπου.

Τα αποτελέσματα της μέτρησης, με κοντινό στην περιοχή γύρω από τις δύο σχισμές στα αριστερά. Εμφανίζεται καθαρό μοτίβο συμβολής. Credit: Leiden University

Το πείραμα

Τα ηχητικά κύματα κατευθύνθηκαν σε ένα μικρό κομμάτι υλικού: τον ημιαγωγό αρσενικούχου γαλλίου, που χρησιμοποιείται συχνά σε ηλεκτρονικές συσκευές. Ο Matthijs Rog από την ομάδα του Kaveh Lahabi χάραξε δύο μικροσκοπικές εγκοπές (σχισμές) σε αυτό το υλικό με δέσμη ιόντων.

Ο Steenbergen εξηγεί:

«Μετράμε τον ήχο με έναν εξαιρετικά ακριβή οπτικό σαρωτή. Η συσκευή μπορεί να μετρήσει τον ήχο κυριολεκτικά παντού, ακόμη και μέσα και μπροστά από τις σχισμές. Μπορούμε να μετρήσουμε το ύψος των ηχητικών κυμάτων με ακρίβεια πικομέτρων – αυτό είναι ένα εκατομμυριοστό του μικρομέτρου».

Ομοιότητες και διαφορές

Όπως και στα πειράματα διπλής σχισμής με φως, εμφανίζεται πίσω ένα καθαρό μοτίβο συμβολής: φαίνεται ξεκάθαρα πού ο ήχος ενισχύεται και πού ακυρώνεται.

Ο Steenbergen προσθέτει:

«Αν όμως κοιτάξεις προσεκτικά, βλέπεις ότι το μοτίβο δεν είναι απολύτως συμμετρικό. Τα ηχητικά κύματα δεν κινούνται με τον ίδιο τρόπο προς όλες τις κατευθύνσεις. Η ταχύτητα των κυμάτων εξαρτάται από τη γωνία με την οποία περνούν μέσα από το υλικό».

Με την ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου, η ομάδα μπόρεσε να εξηγήσει και να προβλέψει με ακρίβεια αυτές τις διαφορές.

Ένα παλιό πείραμα ανοίγει νέες πόρτες

Τα ηχητικά κύματα γιγαχέρτζ χρησιμοποιούνται ήδη στις τηλεπικοινωνίες, ειδικά σε συσκευές 5G όπως τα κινητά τηλέφωνα. Η συγκεκριμένη έρευνα προσφέρει νέα γνώση που θα μπορούσε να αξιοποιηθεί σε αυτές τις τεχνολογίες, καθώς και σε άλλες μικροηλεκτρονικές συσκευές και αισθητήρες που βασίζονται στον ήχο.

Παράλληλα, παρέχει σημαντικές πληροφορίες για τον αναδυόμενο τομέα της κβαντικής ακουστικής, όπου τα ηχητικά κύματα στην κβαντική κλίμακα χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά πληροφοριών. Έτσι, ένα πείραμα αιώνων ανοίγει ξανά νέους δρόμους.