Исследователи нашли потенциальный способ передачи звука в космосе

Звук — упругие волны, которые распространяются в среде, где есть молекулы, атомы или ионы, через вещество в твердой, жидкой, газообразной и плазменной фазах. Передача звука происходит посредством звуковых волн, то есть звуковых (механических) колебаний в среде, которая эти самые колебания поддерживает.

В космической пустоте звуковые волны распространяться не могут, поскольку там практически нет молекул, атомов и ионов.

В 2010 году физики из нескольких университетов США оспорили утверждение, что звук невозможно передать в пустоте. В своем исследовании они предположили, что звуковые колебания могут «перескакивать» из одного твердого тела в другое через вакуумный зазор субмикронной толщины. Этот эффект получил название «вакуумное туннелирование фононов».

Фонон — квазичастица, квант энер­гии ко­ле­ба­тель­ного дви­же­ния атомов те­ла, которые об­ра­зую­т иде­аль­ную кри­стал­лическую ре­шет­ку. По словам американских физиков, описанный ими эффект работает за счет взаимодействия между электрическим полем и звуковыми волнами в кристалле.

Когда колебания кристаллической решетки «доходят» до одной из граней кристалла, вблизи его поверхности создаются переменные электрические поля, которые затем «чувствуются» на другом краю вакуумного зазора. После чего эти поля раскачивают колебания кристаллической решетки в другом кристалле.

Это можно представить так: один фонон «перепрыгивает» через вакуум из первого кристалла во второй и распространяется в нем дальше, хотя в пространстве между телами фонона нет.

В своей научной работе американские ученые описали несколько механизмов, с помощью которых можно добиться эффективной связи между колебанием кристалла и электрическим полем. Однако на практике эти механизмы до недавнего времени никто не проверял.

Группа физиков из Центра нанотехнологий при Университете Йювяскюля (Финляндия) провела эксперимент и выяснила, как и при каких условиях звуковые волны могут «перепрыгивать» через пустоту, разделяющую два твердых тела. Результаты исследования представлены в журнале Communications Physics.

В эксперименте ученые использовали два одинаковых пьезоэлектрических кристалла на основе оксида цинка. Пьезоэлектрики — вещества, которые электризуются при деформации и деформируются в электрическом поле.

Схема системы, состоящей из двух пьезоэлектрических тел, разделенных вакуумным зазором. Звуковая волна из твердого тела 1 с углом падения θi «перепрыгивает» через вакуумный зазор в твердое тело 2 / ©Geng and Maasilta, Commun. Phys., 2023

Звуковые волны вызывают механическое напряжение. Пьезоэлектрические кристаллы могут преобразовывать это напряжение в электрическое поле, и наоборот. Эти кристаллы растягиваются или сжимаются под действием звуковых волн, в результате преобразованное электрическое поле может изменяться.

Когда звуковая волна достигает края первого кристалла, электрическое поле, связанное с ним и проходящее «сквозь» пустоту, изменится и деформирует другой кристалл — значит, звуковая волна «перескочила» через вакуум от одного тела к другому.

После того как ученые разместили кристаллы в специальной установке друг напротив друга, отделив их вакуумным зазором, один из кристаллов преобразовал электрическую энергию обратно в механическую, и звуковая волна от первого кристалла «перескочила» через зазор к другому. Добиться этого получилось только при определенных условиях: кристаллы разделяло расстояние, не превышающее длину исходной звуковой волны.

Финские физики объяснили, что этот эффект работает с разными диапазонами звуковых частот: как с «герцевым» и «килогерцевым», так и с диапазонами, лежащими ниже диапазона слышимости человека, — с ультразвуком (МГц) и гиперзвуком (ГГц). По мере увеличения частоты вакуумный зазор в эксперименте уменьшался.

«Зачастую звуковая волна перепрыгивала через зазор слабо, однако были случаи, когда она проходила полностью со стопроцентной эффективностью, причем без каких-либо отражений», — объяснил Илари Маасилта, соавтор исследования.

Конечно, этот эксперимент нельзя считать прямым доказательством того, что звуковые волны способны распространяться в вакууме, но зато результаты исследования могут пригодиться в других областях науки. В частности, в разработке микроэлектромеханических компонентов, которые используются в барометрах, датчиках угловых скоростей, гироскопах, акселерометрах.

Интересно, что эксперименты по передаче инфразвука авторы работы не проводили. Если для них работают те же принципы, то достаточно большие пьезокристаллы могут передавать в космической пустоте звуковые волны и на весьма существенные расстояния, ведь длина инфразвуковой волны достигает десятков метров.