Звук дійсно може передається у вакуумі

Два фінські фізики з’ясували умови, за яких звук може передаватися через ідеальний вакуум. Ефект схожий на квантове тунелювання, але в справу вступає звичайна фізика і деяке обладнання. Відкриття може допомогти у розробці MEMS-електроніки та в системах тепловідведення.

Жуоран Генг (Zhuoran Geng) та Іларі Маасилта (Ilari Maasilta) з Університету Ювяскюля (Фінляндія) стверджують, що їхня робота відображає перший суворий доказ повного акустичного тунелювання у вакуумі. Все, що потрібно для експерименту, — це два п’єзоелектричні датчики, кожен з яких здатний перетворювати звукові хвилі на електричну напругу (і навпаки). При цьому п’єзоелементи повинні бути розділені зазором, меншим, ніж довжина хвилі звуку, що передається. В результаті звук «перейде» від одного елемента до іншого з повною силою, якщо дотриматися необхідних умов.

Як ми знаємо, для поширення звуку необхідне середовище. Звук передається рахунок послідовної передачі коливань атомів і молекул середовища сусіднім часткам. Безпосередньо люди чують (відчувають) коливання повітря чутливою мембраною у вухах. Таких умов, очевидно, немає в чистому вакуумі — там нема чого вагатися і, отже, нема чого поширювати звукові хвилі. Але є лазівка ​​— у вакуумі можуть поширюватись електромагнітні поля, а це шанс для п’єзоелектричних кристалів, які в процесі деформації (під впливом акустичних хвиль) виробляють електрику. А де електрика, там і поля.

Вчені використовували як п’єзоелементи оксид цинку. Звукове коливання створювало механічну напругу в матеріалі, і це породжувало в ньому електричну напругу і, за певних умов, призводило до появи електромагнітного поля. Якщо в радіусі дії поля першого кристала знаходився другий кристал, то він перетворював поле в електричну енергію і назад на механічну — фактично у вихідний акустичний сигнал, який таким нехитрим (або хитрим) чином долав чистий вакуум. Ширина зазору при цьому не повинна перевищувати довжини звукової хвилі, що передається.

Схема системи, що складається з двох п’єзоелектричних тіл, розділених проміжком у вакуумі. (Geng and Maasilta, Commun. Phys, 2023)

Також вчені показали, що ефект залежить від частоти звуку. При дотриманні необхідного проміжку він працює і для ультразвуку і для надзвукових частот. Виявлене явище може використовуватися як для практичних рішень, так і імітації квантового тунелювання, щоб допомогти в розвитку квантового зв’язку, наприклад.

«У більшості випадків ефект невеликий, але ми також виявили ситуації, коли повна енергія хвилі переходить через вакуум зі 100% ефективністю, без будь-яких віддзеркалень, – розповів Маасилта. — Таким чином, це явище може знайти застосування в мікроелектромеханічних компонентах (MEMS, технологія смартфонів) та в управлінні теплом».

В останньому випадку, очевидно, вчений має на увазі відведення тепла від приладів, що знаходяться у вакуумі, що може знайти застосування в космічній техніці й не тільки. Про саму роботу вчені розповіли у статті в журналі Communications Physics. Джерело