跳到主要内容

主题

声学

声学

相对论准粒子通过屏障以100%的传输率穿过隧道,验证了百年历史的预测

声子晶体
声子晶体:屏障是使用包含丙烯酸圆柱体的两个不同晶格创建的。 (礼貌:香港大学)

在涉及声子晶体中声波的实验中,首次观察到一种叫做“克莱因隧道效应”的奇怪效应。不仅证实了相对论粒子(以接近光速行进的相对论粒子)可以以100%的透射率通过能垒的百年历史的预测,在中国和美国进行的研究还可能带来更好的声纳和超声成像。

量子隧穿是指粒子通过势能垒的能力,尽管如果通过经典物理学描述该系统时能量不足,则无法穿越。隧道效应是量子力学中波粒二象性的结果,因此,波的波函数扩展到屏障内外。

通常,发生隧道的可能性小于100%,并且随着势垒的高度和宽度增加而呈指数下降。然而,在1929年,瑞典物理学家奥斯卡·克莱因(Oskar Klein)计算出,以接近光速行进的电子将以100%的确定性穿过势垒,而不论势垒的高度和宽度如何。

相对论准粒子

由于将电子加速到所需速度并为隧穿形成适当的障碍,因此测试该出色的预测已证明是困难的。最近,物理学家发现,石墨烯中电子的集体行为会产生无质量的准粒子,其移动速度接近光速。尽管在石墨烯中已经看到了克莱因隧道效应的一些间接特征,但100%透射的确凿证据仍然难以捉摸。

在这最新的作品中, 张翔 香港大学的同事及其同事已经建立了一个实验系统,该系统使用声波来模拟石墨烯中相对论准粒子的行为。为此,该团队使用由丙烯酸圆柱体制成的两个不同的2D三角形格子创建了一个屏障(见图)。正如石墨烯的2D原子晶格影响石墨烯中电子的行为一样,这些声子晶体也会影响声波的行为-产生类似于相对论电子的准粒子声激发。

虽然两个声子晶体具有相同的晶格常数(两个圆柱体之间的间距均为28mm),但它们每个都是由具有不同半径(12mm和7mm)的圆柱体制成的。隧道势垒是通过在12 :: mm晶格的两个区域之间夹一个7mm晶格的区域而创建的。虽然声学准粒子可以在12毫米区域内轻松移动,但它们在7毫米区域内遇到了势垒。

近乎完美的传输

通过将声波注入声子晶体的一侧来创建准粒子。该团队测量了接近100%的透射率,而不仅仅是穿过通道壁的一些准粒子。然后,他们测试了几种具有不同屏障厚度和不同潜在屏障高度的系统-可以通过更改屏障晶格中圆柱体的半径来调整后者。正如克莱因所预测的那样,通过更改这两个参数,几乎完美的传输不会受到影响。

在宽频率范围内观察到Klein隧道的声音,并且可以通过调整圆柱的大小和间距来微调系统的响应。因此,Zhang及其同事相信,他们的发现可以用来促进声波在接口之间的传输。这可以改善用于探索水下区域的声纳系统,还可以导致开发新的医疗超声系统,该系统能够更好地穿透体内的障碍物。

该研究描述于 科学.

版权©IOP 出版 Ltd和个人贡献者的2021年