Фізики створили мікроскопічний «батут» для керування звуком

Фізики з Університету Констанца, Копенгагенського університету та Швейцарської вищої технічної школи Цюриха створили найменший у світі «батут», який може коливатися в різних напрямках і навіть «огинати кути». Цей мікроскопічний пристрій має ширину лише 0,2 міліметра, а товщина його поверхні становить всього 20 мільйонних міліметра.

Незвичайний батут являє собою перфоровану мембрану з нітриду кремнію з регулярним візерунком округлих трикутних отворів. Попри свою надтонкість та перфорацію, ця конструкція практично не втрачає імпульсу під час коливань і може рухатися майже нескінченно довго після початкового поштовху.

Особливістю цього батута є здатність коливатися одночасно в різних напрямках на різних ділянках поверхні. У центральній частині навіть утворюється своєрідний «батут у батуті», де коливання рухаються по ідеальному трикутному візерунку, огинаючи кути.

Насправді цей пристрій є хвилеводом для фононів — квантів звуку, які представляють елементарні збудження кристалічної решітки твердих тіл. Фонони можна порівняти зі звуковими квантами, на яких базуються вібрації кристалічної структури матеріалів.

Мета створення такого батута полягає у демонстрації нових методів транспортування фононів, особливо для використання в мікросхемах, де сигнали потрібно направляти через вузькі повороти та криві траєкторії. Унікальна поверхнева структура, заснована на принципах математичної топології, дозволяє направляти фонони «за кутом» практично без втрати імпульсу.

Результати експериментів виявилися надзвичайно успішними. За допомогою цього батута фонони можуть огинати навіть гострі повороти під кутом 120 градусів з мінімальними втратами імпульсу. Кількість фононів, які «відскакують» назад замість того, щоб огинати поворот, становить менше одного на десять тисяч.

«Ці надзвичайно низькі втрати відповідають рівню сучасних телекомунікаційних пристроїв», — зазначає фізик з Констанца Одед Цільберберг. Саме він зацікавлений у вивченні топологічних ефектів у поверхневих структурах та їх практичному застосуванні.

Цільберберг вважає, що за допомогою цього методу можна буде створювати цілі «дороги для фононів». Він розробив специфічний дизайн батута, а його колеги з Копенгагенського університету та Швейцарської вищої технічної школи Цюриха втілили ідею в життя.

Принцип роботи пристрою базується на контрольованому направленні звукових хвиль через спеціально спроєктовану топологічну структуру. Перфорована мембрана створює унікальні умови для поширення фононів, дозволяючи їм рухатися по заданих траєкторіях без значних енергетичних втрат.

Це відкриття має важливе значення для розвитку мікроелектроніки, особливо для створення більш ефективних мікросхем. У сучасних електронних пристроях часто виникає необхідність направляти сигнали через складні геометричні конфігурації, і традиційні методи часто супроводжуються значними втратами енергії.

Застосування принципів топологічної фізики у створенні хвилеводів відкриває нові можливості для мініатюризації електронних компонентів та підвищення їх ефективності. Здатність направляти фонони з мінімальними втратами може революціонізувати підходи до проєктування майбутніх мікроелектронних систем.

Дослідники також розглядають можливість масштабування цієї технології. Цільберберг жартома зазначив, що принципово можливо створити батут людських розмірів, який працював би за тим самим принципом, хоча він застеріг, що користуватися таким пристроєм слід було б лише в захисному шоломі.

Результати дослідження опубліковані в престижному науковому журналі Nature, що підтверджує високу наукову цінність та новизну отриманих результатів. Ця робота демонструє успішне поєднання теоретичних принципів топологічної фізики з практичними інженерними рішеннями.

Створення мікроскопічного батута для фононів представляє собою важливий крок у розвитку квантової акустики та нанофотоніки. Ця технологія може знайти застосування не лише в мікроелектроніці, але й у створенні нових типів сенсорів, актуаторів та інших пристроїв, які використовують контрольоване поширення механічних коливань на наномасштабі.