Физики заставили тепло и звук двигаться только в одном направлении

Американские ученые выяснили, как можно заставить звуковые волны или тепло путешествовать только в одном направлении, что позволит создать идеальные системы звукоизоляции и охлаждения для научных приборов и цифровых гаджетов. Их выводы были опубликованы в журнале Nature.

"Используя наш трюк, мы можем заставить тепло двигаться из точки А в точку Б вне зависимости от того, какая из них холоднее. Иными словами, если мы бросим кубик льда в стакан с кипятком и включим наш лазер, он станет еще холоднее, а вода начнет закипать. В нашем случае, правда, речь идет не о льде и воде, а о двух акустических резонаторах", — заявил Джэк Харрис (Jack Harris) из Йельского университета (США).

Электромагнитные колебания и акустические волны, как знает любой человек из школьного курса физики, распространяются во все стороны от их источника с одинаковой скоростью. С одной стороны, это позволяет телефонам, радиоприемникам и системам спутниковой навигации и связи работать даже в тех случаях, когда передатчик скрыт от приемника.

С другой стороны, это же свойство волн мешает инженерам, создающим различные системы связи и прочие электронные гаджеты, так как волны могут возвращаться назад в генератор излучения и порождать различные помехи, которые приходится так или иначе подавлять. Вдобавок, это затрудняет создание различных "притягивающих лучей", световых щипцов и прочих инструментов, использующих свет или звук для манипулирования материальными предметами.

Долгое время, как отмечает Харрис, физики считали, что волны нельзя заставить "нарушить" это правило и начать двигаться только в одном направлении. Недавно ученые обнаружили, что это возможно, если запустить электромагнитные или акустические колебания в специально устроенный искусственный материал, взаимодействующий со светом или звуком необычным образом.

К примеру, пять лет назад российско-британский физик Анатолий Заяц собрал конструкцию из золотых наночастиц, которая заставляла свет двигаться вдоль ее поверхности только в одном направлении. Подобные открытия заставили ученых искать аналогичные "трюки" для других типов волн.

Харрис и его коллеги решили эту задачу сразу для двух типов колебаний – акустических и тепловых, наблюдая за тем, что происходит при взаимодействии луча лазера и колеблющейся мембраны.

Поместив эту конструкцию внутрь специального оптического прибора, так называемого резонатора Фабри-Перо, ученые заметили, что работу источника света можно настроить таким образом, что внутри нее возникнет особая стоячая волна. Она будет мешать акустическим волнам двигаться по поверхности мембраны в одном направлении, но не будет препятствовать их путешествиям в обратном направлении.

Направление передачи звука, как отмечают ученые, можно легко поменять, изменив фазу лазера и обстреляв мембрану новым набором импульсов. Подобный трюк, по их словам, позволяет не только создавать устройства, передающие звук или тепло в одну сторону, но и идеальные акустические изоляторы и "ловушки" для подобных колебаний, позволяющие хранить их неограниченно долгое время.

Пока их установка работает при температурах, близких к абсолютному нулю, однако ученые уверены, что этот эффект не потеряет силы и при комнатной температуре. Вдобавок, нечто похожее, как предполагают йельские физики, можно проделать и с другими типами колебаний, в том числе с электрическим током, светом или различными источниками механических волн.