Сотрудничество исследования между Иллинойсским университетом в Урбане-Шампейне, Национальным институтом стандартов и технологий и Университетом Мэриленда показало новую технику, которой рассеивание звуковых волн от беспорядка в материале может быть подавлено по требованию. Все это, может быть просто достигнут, осветив соответствующим цветом лазерного света. Результат, который издан по своей природе Коммуникации, мог оказать всестороннее влияние на датчики и системы связи.Горэв Баль, доцент механической науки и разработки и его исследовательской группы изучал взаимодействие света со звуком в твердотельных микрорезонаторах.
Этот новый результат – кульминация ряда экспериментов, преследуемых его командой в течение последних нескольких лет и новым научным вопросом, поставленным в правильном месте.«Резонаторы могут считаться эхокамерами для звука и света, и могут быть столь же простыми как микросферические шары стекла как те, мы использовали в нашем исследовании», объяснил Баль. «Наше научное сообщество долго понимало, что свет может использоваться, чтобы создать и усилить звуковые волны в резонаторах через множество оптических сил.
Резонирующее эхо помогает увеличить время взаимодействия между звуком, светом и существенным беспорядком, делая эти тонкие эффекты намного легче наблюдать и управлять. Так как взаимодействия в резонаторах существенно не отличаются от тех, которые происходят в любой другой системе, они могут быть действительно компактной платформой для исследования основной физики».Ключ к подавлению рассеивания от беспорядка должен вызвать несоответствие в распространении между оригинальными и рассеянными направлениями.
Эта идея подобна тому, как электрический ток предпочитает течь вдоль пути наименьшего сопротивления, или как вода предпочитает течь через более широкую трубу, а не сжатую. Чтобы подавить рассеивание спины перемещающих форварда звуковых волн, нужно создать большой акустический импеданс в обратном направлении. Эту асимметрию для передовых и обратных волн размножения называют как хиральность среды. У большинства твердотельных систем нет chiral свойств, но эти свойства могут быть вызваны через магнитные поля или посредством пространственно-временного изменения среды.
«Несколько лет назад мы обнаружили, что хиральность может быть вызвана для света, используя opto-механическое явление, в которых легких парах с размножением звуковых волн и отдает прозрачную среду. Наши эксперименты в то время показали, что вызванная оптическая прозрачность только позволяет свету перемещаться однонаправлено, то есть, это создает предпочтительно низкий оптический импеданс в одном направлении», сказал Баль. «Тогда, что мы встретили нашего сотрудника Джейкоба Тейлора, физик в NIST, задал нам простой вопрос. Что происходит со звуковыми волнами в такой системе?»«Наше теоретическое моделирование предсказало, что наличие chiral системы для звукового распространения могло подавить любое рассеивание спины, которое, возможно, было вызвано беспорядком», объяснил Тейлор. «Это понятие явилось результатом работы, которую мы делали за прошлые несколько лет, исследуя топологическую защиту для света, где chiral распространение – главная особенность для улучшения работы устройств.
Первоначально план с командой Баля состоял в том, чтобы только показать различие между передовыми и обратными звуковыми волнами размножения, используя охлаждающийся эффект, созданный при свете. Но система удивила нас еще более сильным практическим эффектом, чем ожидалось».
Тот простой вопрос начал новую многолетнюю научно-исследовательскую работу в направлении, которое не было исследовано ранее. Работая в тесном сотрудничестве, команда обнаружила, что рассеяние света Бриллюэна, определенный вид opto-механического взаимодействия, могло также вызвать хиральность для звуковых волн. Между экспериментальными инструментами в лаборатории Баля и теоретическими продвижениями в лаборатории Тейлора, части загадки уже были в месте.«Мы экспериментально подготовили chiral optomechanical система, распространив лазерную область в направлении по часовой стрелке в стеклянном резонаторе кварца.
Лазерная длина волны или цвет, была особенно устроена, чтобы вызвать оптическое демпфирование только по часовой стрелке звуковых волн. Это создало большое акустическое несоответствие импеданса между по часовой стрелке и направления против часовой стрелки распространения», объяснил Сеунгви Ким, первый автор исследования. «Звуковые волны, которые размножали направление по часовой стрелке, понесли очень высокие потери из-за opto-механического эффекта охлаждения. Звуковые волны, перемещающиеся в направление против часовой стрелки, могли переместиться свободно. Удивительно, мы видели огромное сокращение рассеивающейся потери для против часовой стрелки звуковых волн, так как те волны больше не могли рассеиваться в направление по часовой стрелке!
Другими словами, даже при том, что беспорядок присутствовал в резонаторе, его действие было подавлено».Так же, как звук – основной метод голосового сообщения между людьми, электромагнитные волны как радио и свет – основная технология, используемая для глобальной связи. Что это открытие могло означать для коммуникационной отрасли? Беспорядок и существенные дефекты – неизбежные системы оптоволокна, приводящие к более низкой преданности данных, ошибкам в символе и ограничениям пропускной способности.
Команда полагает, что технологии на основе этого открытия могли быть усилены, чтобы обойти воздействие неизбежных существенных дефектов в таких системах.«Мы уже видели, что много датчиков, таких как найденные в Вашем телефоне или в Вашем автомобиле, могут быть ограничены внутренними дефектами в материалах», добавил Тейлор. «Подход, введенный здесь, обеспечивает простое средство хитрости тех проблем и может даже помочь нам приблизиться к пределам, установленным квантовой механикой, а не нашими собственными техническими проблемами».Практическое применение этого результата может не быть слишком многими годами прочь. Сокращение механических потерь могло также непосредственно улучшить основанные на механике инерционные навигационные датчики, которые мы используем сегодня.
Примерами, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, являются акселерометры и гироскопы, без которых наши мобильные телефоны были бы намного менее способными, и наши автомобили и намного менее безопасные самолеты.