Experimentell uppställning:de konstgjorda fononiska kristallerna är designade och tillverkade av forskargruppen. Ljud som sänds ut från högtalaruppsättningen fortplantar sig normalt från höger och exciterar den relativistiska kvasipartikeln inuti de fononiska kristallerna. En minimikrofon är ansluten till en 3D-rörelsemotor för att skanna tryckfältet. Kredit:University of Hong Kong
Den perfekta överföringen av ljud genom en barriär är svår att uppnå, om inte omöjligt baserat på vår befintliga kunskap. Detta gäller även andra energiformer som ljus och värme.
En forskargrupp ledd av professor Xiang Zhang, President för University of Hong Kong (HKU) när han var professor vid University of California, Berkeley, (UC Berkeley) har för första gången experimentellt bevisat en hundraårig kvantteori att relativistiska partiklar kan passera genom en barriär med 100% transmission. Forskningsresultaten har publicerats i den främsta akademiska tidskriften Vetenskap .
Precis som det skulle vara svårt för oss att hoppa över en tjock hög vägg utan att tillräckligt med energi samlats. I kontrast, det förutspås att en mikroskopisk partikel i kvantvärlden kan passera en barriär långt bortom sin energi oavsett barriärens höjd eller bredd, som om det är "transparent".
Redan 1929 teoretisk fysiker Oscar Klein föreslog att en relativistisk partikel kan penetrera en potentiell barriär med 100% transmission vid normal incidens på barriären. Forskare kallade detta exotiska och kontraintuitiva fenomen för "Klein tunneling"-teorin. Under de följande 100 udda åren, forskare prövade olika tillvägagångssätt för att experimentellt testa Klein tunnling, men försöken misslyckades och direkta experimentella bevis saknas fortfarande.
Professor Zhangs team genomförde experimentet i artificiellt designade fononiska kristaller med triangulärt gitter. Gittrets linjära dispersionsegenskaper gör det möjligt att efterlikna den relativistiska Dirac-kvasipartikeln genom ljudexcitering, vilket ledde till den framgångsrika experimentella observationen av Klein tunnling.
De fononiska kristallerna tillverkas genom att akrylstolparna på konstgjord väg placeras i det speciella mönstret. Kredit:University of Hong Kong
"Detta är en spännande upptäckt. Kvantfysiker har alltid försökt observera Klein tunnling i elementarpartikelexperiment, men det är en mycket svår uppgift. Vi designade en fononisk kristall som liknar grafen som kan excitera de relativistiska kvasipartiklarna, men till skillnad från naturligt material av grafen, geometrin hos den konstgjorda fononiska kristallen kan justeras fritt för att exakt uppnå de idealiska förhållandena som gjorde det möjligt för den första direkta observationen av Klein tunnling, " sa professor Zhang.
Prestationen representerar inte bara ett genombrott inom grundläggande fysik, men presenterar också en ny plattform för att utforska framväxande makroskalasystem som ska användas i applikationer som on-chip logikenheter för ljudmanipulation, akustisk signalbehandling, och sund energiskörd.
"I nuvarande akustiska kommunikationer, överföringsförlusten av akustisk energi på gränssnittet är oundviklig. Om överföringen på gränssnittet kan ökas till nästan 100 %, effektiviteten av akustisk kommunikation kan förbättras avsevärt, vilket öppnar upp för banbrytande applikationer. Detta är särskilt viktigt när ytan eller gränssnittet spelar en roll för att hindra noggrannhet i akustisk detektering, såsom undervattensutforskning. Den experimentella mätningen är också gynnsam för den framtida utvecklingen av att studera kvasipartiklar med topologiska egenskaper i fononiska kristaller som kan vara svåra att utföra i andra system, " sa Dr Xue Jiang, en tidigare medlem av Zhangs team och för närvarande associerad forskare vid Institutionen för elektronikteknik vid Fudan University.
Dr Jiang påpekade att forskningsresultaten också kan gynna de biomedicinska apparaterna. Det kan hjälpa till att förbättra noggrannheten för ultraljudspenetration genom hinder och nå utsedda mål som vävnader eller organ, vilket skulle kunna förbättra ultraljudsprecisionen för bättre diagnos och behandling.
På grundval av de nuvarande experimenten, forskare kan kontrollera kvasipartikelns massa och spridning genom att excitera de fononiska kristallerna med olika frekvenser, på så sätt uppnå flexibel experimentell konfiguration och på/av-kontroll av Klein-tunnelering. Detta tillvägagångssätt kan utvidgas till andra artificiella strukturer för studier av optik och termotik. Det tillåter oöverträffad kontroll av kvasipartikel eller vågfront, och bidrar till utforskningen av andra komplexa kvantfysikaliska fenomen.
