Новый эксперимент опроверг устоявшуюся теорию квантового звука

Исследователи Университета Макгилла в Канаде создали устройство, которое генерирует частицы звука — фононы — в экстремально холодных условиях. Работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, открывает путь к созданию фононных лазеров, которые могут найти применение в системах связи, медицинской диагностике и сенсорных технологиях .

«Современная связь в основном основана на свете, электромагнитных волнах и электрических токах, — поясняет Майкл Хилке, профессор физики Университета Макгилла и соавтор исследования. — В такой среде, как океан, звук может распространяться, тогда как свет и электрические токи — нет. В человеческом теле звуковые волны также могут быть полезным инструментом» .

Как работает устройство

Принцип действия устройства основан на пропускании электрического тока через двумерный слой кристалла толщиной всего в несколько атомов. Электроны оказываются запертыми в сверхтонком канале. Когда их проталкивают с достаточной силой, они высвобождают энергию в виде управляемых всплесков звукоподобных колебаний — фононов .

Эффект проявляется только при экстремальном охлаждении. Устройство работает при температурах от 10 милликельвинов до 3,9 кельвинов (от минус 273,14 до минус 269,25 градусов Цельсия). При таких условиях электроны движутся более упорядоченно, что позволяет ученым наблюдать квантовые эффекты, при которых материя ведет себя скорее как волны, чем как твердые частицы .

Звук на сверхзвуковой скорости

«При абсолютном нуле — то есть в мире квантовой физики — звук не создается, если только электроны не движутся коллективно на скорости звука или выше», — объясняет Хилке . Предыдущие работы наблюдали эффекты, когда скорость электронов приближалась к звуковому барьеру. Новое исследование продвинулось дальше, превысив этот предел и показав, что существующие теории нуждаются в пересмотре: электроны могут оставаться «горячими», даже когда сам кристалл охлажден почти до абсолютного нуля .

Полученные данные также показали, что развитие этого метода может привести к созданию высокоскоростных коммуникационных технологий, усовершенствованных сенсоров, новых биологических материалов и передовых медицинских систем .

Следующий шаг — графен

Хилке отмечает, что следующим этапом станет изучение других материалов, включая графен. Это могло бы позволить устройству работать на еще более высоких скоростях . «Фононы трудно генерировать и контролируемо использовать, поэтому мы исследуем новые режимы. В широком смысле это исследование о том, как электрический ток и энергия движутся и преобразуются внутри современных электронных материалов», — заключает исследователь .

Материал для устройства был синтезирован в Принстонском университете, а само устройство собрано и проанализировано в Университете Макгилла и Национальном исследовательском совете Канады . Исследование финансировалось Советом по естественнонаучным и инженерным исследованиям Канады и Фондом исследований Квебека — Природа и технологии .

Если ученые научились превращать электричество в управляемый «квантовый звук», что произойдет, когда эта технология достигнет более высоких температур? И сможет ли фононный лазер однажды заменить оптический там, где свет бессилен — под водой или внутри живых тканей?