Акустический «тяговый луч»

Европейские физики разработали «тяговый луч», состоящий из звуковых волн. Этот луч способен удерживать небольшие объекты в воздухе, перемещать и вращать их, а также притягивать, сообщается в публикации в Nature Communications.

По словам одного из разработчиков Асьера Марсо, студента Общественного университета Наварры (Universidad Pública de Navarra, Испания), его притягивающий «луч» испускает ультразвуковые сигналы и благодаря их взаимодействию с воздухом создает в пространстве «акустическую голограмму», на поверхности которой могут удерживаться или двигаться небольшие предметы. Сама установка представляет собой набор из 64 маленьких динамиков, создающих волны высокой интенсивности, способные контролировать полистирольный шарик до 4 миллиметров в диаметре. Согласно исследователям, более крупная установка, работающая по этому же принципу, способна удерживать надувной мяч на высоте более 9 метров.


Акустическая левитация – придание объекту устойчивого положения в акустической волне – не новая концепция, с помощью звуковых волн можно заставить предмет «парить» в воздухе или контролировать его движение. Однако до сих пор для этого требовалось включить несколько источников звука или поместить левитирующий объект между источником и отражающей волны поверхностью. Марсо и его коллегам из университетов Сассекса и Бристоля удалось добиться акустической левитации при одном источнике. Это и позволяет называть разработку «лучом».

Потенциально возможность перемещать объекты, не прикасаясь к ним, может иметь широкое практическое применение в разных областях – от физики до медицины.



«С более мощным тяговым лучом, способным удерживать более крупные объекты на большем расстоянии, возможно будет контролировать левитирующие объекты в условиях невесомости (например, на МКС), – говорит Марсо. – Мы также изучаем, можно ли манипулировать тысячами отдельных частиц. Это позволит создать 3D-дисплеи, состоящие из миллионов левитирующих частиц, ведущих себя как пиксели, которые можно потрогать».



Год назад ученые Австралийского национального университета представили «транспортный луч» на воде. С помощью этой концепции, надеются исследователи, можно перемещать лодки или другие предметы на водной поверхности без оглядки на течение или ограничивать разливы нефти в море.
А вот еще в 2009 году речь о «сазере», устройстве, работающем на манер обыкновенного лазера, но вместо излучения использующем звук.

«Сазер» — звуковой аналог лазера, создающий унифицированные «лучи» звуковых волн. По мнению создателей устройства, английского профессора Энтони Кента (Anthony Kent) и Бориса Главина, его коллеги из украинского Института физики полупроводников имени Лашкарева, оно может стать почти столь же значимым для технологий 21-го века, как стал лазер для технологий века 20-го. Он может найти применение в будущих компьютерах, системах отображения изображений и даже в защите от террористических атак. Впрочем, обо всем по порядку.



Лазер создает пучки излучения, которое характеризуется монохроматичностью (все входящие в него волны имеют строго одинаковую длину волны) и когерентностью (все волны колеблются в одинаковой фазе, одновременно достигают максимума и минимума). Разные типы лазеров работают на разных длинах волн, создавая лучи в микроволновом, ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном, рентгеновском диапазонах. Но в любом случае они работают с электромагнитными волнами, а значит — с составляющими их элементарными частицами-фотонами.

В отличие от них, для «сазера» (saser, соединение sound и laser — дальше мы будем писать это слово без кавычек) частицами служат фононы, своего рода кванты вибрационного движения. Напомним, что звук представляет собой вибрацию воздуха, проходящую через него продольную волну.

Упорядоченный поток фононов образуется и усиливается при прохождении через микроскопическую ячеистую структуру, состоящую из примерно 50-ти очень тонких (в несколько атомов шириной) полупроводниковых слоев — арсенида галлия, чередующегося с арсенидом алюминия. Фонон, попадая в эту структуру, стимулируется внешним источником энергии (световым пучком) и, снова и снова отражаясь от слоев полупроводника, создает новые синхронизированные фононы, пока не покинет ее в виде высокочастотного когерентного звукового «луча». Пучок этот колеблется с терагерцовой частотой, соответственно, длина его волны имеет нанометровый порядок.



Такой полупроводниковый «бутерброд» может использоваться не только для создания упорядоченной звуковой волны, но и для манипуляции ею, и для ее детектирования, что и дает устройству массу возможных применений. К примеру, его можно использовать для «просвечивания» материалов в поисках дефектов, размеры которых сравнимы с длиной волны — то есть, на нанометровом уровне. Это крайне полезно для работы с современными миниатюрными микросхемами. Кроме того, воздействие таких высокочастотных колебаний может менять электрические свойства наноструктур, а значит, сазер найдет применение в компьютерах будущего.

Сам Энтони Кент говорит: «Хотя работа над сазером была вдохновлена скорее научным, чем практическим интересом, я чувствую, что технология эта имеет все шансы совершить революцию в области акустики, такую же, какую совершили лазеры в оптике за 50 лет с момента их открытия». К его словам стоит прислушаться: ученые уже получили грант на развитие своей технологии, и внушительная сумма в 636 тыс. фунтов стерлингов может свидетельствовать о том, что и другие специалисты считают ее весьма и весьма перспективной.