Физиците проведоха експеримент с два процепа, но със звук, и получиха изкривена картина. Защо се получи така?
Експериментът с двата процепа е може би най-известният опит в квантовата физика. Пропуснете вързоп светлина или електрони през два близко ситуирани процепа и на екрана зад тях ще видите не две линии, а редуваща се картина от светли и тъмни области. Това е интерференцията. Тя потвърждава, че светлината и материята се държат като талази.
Този опит е повтарян стотици пъти с разнообразни обекти – от фотони до великански молекули. Резултатът постоянно е еднакъв. Но какво би станало, в случай че го извършите не във вакуум, а върху повърхността на някакъв материал? Точно това са създали физиците от Лайденския университет.
Те повторили опита на Юнг. Но не със светлина или електрони, а със тон. И резултатът бил неправилен – точно както предвиждала теорията.
Защо тон, а не светлина?
В опита били употребявани не елементарни звукови талази, а повърхностни акустични талази (ПАВ). Това са механични трептения, които се популяризират по повърхността на твърдото тяло, сходно на вълните на водата, само че в гигахерцовия диапазон. Тези талази са с извънредно дребна дължина – от порядъка на микрони.
За какво служат те? Повърхностноактивните субстанции са работните коне на актуалните технологии. Те са в основата на филтрите в нашите смарт телефони, като им дават опция да работят на верните честоти. А през последните години те се трансфораха в основен инструмент в квантовите технологии. ПАВ могат да взаимодействат с кубитите – единичните кафези на квантовите компютри – като предават информация към тях с висока акуратност.
Затова разбирането на това по какъв начин тъкмо се популяризират и интерферират тези талази е приложна задача. Експериментът с двата процепа е най-хубавият метод да се ревизира това.
Експеримент в миниатюра: гребени, жлебове и лазер.
Как да накарате звука да премине през два процепа на микроравнище? Проектът наподобява по следния метод.
Източникът на вълните. Върху поставка от кристал галиев арсенид (GaAs) е подложен така наречен срещуположен преобразувател – това е конструкция от насрещни железни електроди, наподобяваща гребен. Подаването на изменчиво напрежение с периодичност към 1 GHz кара кристала да вибрира и да генерира САВ. Прорезите. Преградата за вълните са два жлеба, изрязани в кристала благодарение на фокусиран йонен лъч. Тези жлебове блокират по-голямата част от вълната, позволявайки ѝ да минава единствено през двете тесни пролуки – въпросните процепи. Детекторът. Измерването на дребните повърхностни трептения е нетривиална задача. Амплитудата им е единствено няколко пикометра (това е милиони пъти по-малко от дебелината на човешкия косъм). За тази цел е употребен оптичен интерферометър: лазерен лъч сканира повърхността зад процепите и записва нейните отвесни премествания с най-висока акуратност.
Устройството за опита на Юнг с повърхностни акустични талази. Генераторът на талази (вляво): Металните електроди генерират звукови трептения върху повърхността на кристала. Двойният жлеб (в средата): Двата прореза блокират вълните, като им разрешават да минават единствено през тесните пролуки. Измерването (не е показано): Лазерен лъч сканира зоната зад прорезите, с цел да очертае получената интерференционна картина. След като са събрали данните от целия район, учените са получили цялостната карта на вълновото поле. И тя посочила класическия модел на интерференция. Но с една чудноватост.
Какво значи „ анизотропен “ и за какво той трансформира всичко?
В учебния учебник интерференционната картина от два процепа постоянно е симетрична. Централният най-много е тъкмо в средата, а останалите линии се отклоняват от него в двете направления. При опита със САУ моделът е килнат. Тя се оказа изместена встрани и дистанцията сред линиите не съвпадаше с простите калкулации.
Тези изображения демонстрират основния стадий от работата – цифровото „ разчистване “ на данните, което дава опция да се види действителната картина на вълновото поле За какво става дума? В материала – Галиевият арсенид е анизотропен кристал.
Анизотропията е свойство на даден материал, при което характерностите му зависят от направлението. Представете си дъска: по дължината на влакната е елементарно да се разцепи, само че напречно на влакната е доста по-трудно. Същото важи и за кристала: скоростта на звука зависи от посоката, в която се движи през кристалната решетка.
Точно това се случи при опита. Вълните, които излизаха от процепите, се разпространяваха под разнообразни ъгли. Поради анизотропията на GaAs скоростта им беше друга за другите направления. Вълните, които се движат напряко, имат една скорост, до момента в който тези, които се отклоняват настрана, имат малко по-различна скорост. Тази дребна разлика в скоростта, по-малка от 1 %, води до два резултата:
„ Насочването “: целият интерференционен лъч като че ли се насочва към посоката с най-голяма скорост. Промяната на интервала: дистанцията сред интерференчните линии намаляваше спрямо това, което би било в една изотропна, хомогенна среда.Полученият резултат изцяло съответства с теоретичния модел, който отчиташе анизотропните свойства на кристала.
Тези графики демонстрират по какъв начин учените са потвърдили, че повода за „ неверната “ интерференция се дължи на неповторимите свойства на самия кристал Фундаменталната физика в действителния свят
Какво ни споделя този резултат? На първо място, това е първата в историята проява на опита на Юнг за повърхностни акустични талази. Той ясно демонстрира, че фундаменталните закони за вълните работят и за такива системи.
Но има и по-дълбок извод. Класическите опити, разказани в учебниците, постоянно преглеждат идеализирани условия – вакуум, хомогенна среда. Изследването демонстрира по какъв начин действителните свойства на материалите могат фрапантно да трансформират картината.
За инженерите, които основават акустоелектронни устройства или съставни елементи за квантови компютри, това е извънредно значима информация. Вече е ясно, че даже минималното завъртане на устройството по отношение на осите на кристала може да измести акустичния лъч и да повлияе на работата на цялата система.
