13.01 - 10:27

Физики получили прямое подтверждение парадокса Клейна


 

Физики напрямую пронаблюдали туннелирование Клейна с помощью акустических волн, распространяющихся в гетероструктуре, сформированной из фононных кристаллов. Это было сделано впервые за почти сто лет с момента предсказания эффекта. Работа опубликована в журнале Science.

Условия для наблюдения предсказываемых теоретиками эффектов бывают весьма экстремальными не только для земных лабораторий, но даже и для космических объектов. Чтобы хоть как-то выйти из этой ситуации, физики придумывают эксперименты, в которых можно увидеть аналоги этих эффектов. При этом роль одних частиц или объектов играют другие частицы и объекты, чьи параметры и взаимодействия можно легко воспроизводить и контролировать.

Так, например, ученые смогли пронаблюдать аналог спонтанного рождения электрон-позитронных пар из вакуума под действием сверхинтенсивных полей, напряженность которых превышает предел Швингера, равный 1,3 × 1018 вольт на метр. Это было сделано с помощью света, распространяющегося в метаматериале. Однако куда больше «повезло» черным дырам и их хокинговскому излучению: были экспериментально получены их аналоги на холодных атомах, оптических волокнах и даже сверхкритических ядрах.

В этом же духе велась работа по подтверждению парадокса Клейна, то есть ситуации, при которой частицы, двигающиеся в релятивистском режиме, проходят через барьер определенной конфигурации со 100-процентной вероятностью, что невозможно ни в нерелятивистской квантовой механике, ни тем более в классической физике. Наблюдение этого парадокса в том виде, в котором он был изначально сформулирован в 1929 году Оскаром Клейном, столкнулось с трудностями, связанными с разгоном электронов до релятивистских скоростей и создании нужного барьера.

Однако оказалось, что аналоги и того, и другого можно найти в новых материалах, а именно в графене и в топологических изоляторах. Однако в обоих случаях наблюдение эффекта Клейна было лишь косвенным. Чтобы закрыть это пробел, профессор Сян Чжан (Xue Jiang) из Гонконгского университета с коллегами сконструировали экспериментальную систему, в которой роль релятивистских частиц играют фононы, а барьер создается с помощью фононных кристаллов.

Фононные кристаллы — это искусственные периодические среды, в которых распространение звука сопровождается теми же процессами, что происходят при движении электрона по решетке обычных кристаллов. В первую очередь это касается модификации дисперсионных соотношений, то есть связи энергия-импульс у частицы. Оказалось, что при некоторых условиях дисперсионные соотношения фононов становятся похожими на дисперсионные соотношения релятивистских электронов и позитронов, которые являются практически линейными функциями. Это позволяет рассматривать кванты звука как аналоги таких частиц, и, как следствие, пронаблюдать туннелирование Клейна в весьма простых лабораторных условиях.

Для этого авторами работы была изготовлена трехслойная гетероструктура, каждый слой которой являлся фононным кристаллом. Фононные кристаллы представляли собой двумерную гексагональную решетку, сформированную из акриловых цилиндров. Первый и последний слой были одинаковыми, а промежуточный слой отличал иной радиус цилиндров, при том, что во всех трех случаях период решетки был одинаковым и составлял 28 миллиметров. Из-за различия в дисперсионных кривых такая система образовывала потенциальный барьер для фононов, чьи частоты находились в диапазоне от 5 до 8 килогерц. Шириной барьера можно было управлять, наращивая число цилиндров во втором слое, а высоту — меняя их радиус. Так, радиусы, равные 5, 7 и 8,25 миллиметра, создавали барьер высотой 470, 652 и 1010 герц, соответственно.



В результате авторы для каждой конфигурации обнаружили участки частот, для которых коэффициент пропускания действительно был близок к 100 процентам. Левее и правее этих диапазонов пропускание уменьшалось, причем, это уменьшение было тем сильнее, чем сильнее проявлялась нелинейность фононных дисперсионных соотношений. Отклонение пропускаемости от 100 процентов объясняется авторами целым рядом причин, начиная от неидеальности образцов и заканчивая тем, что теория эффекта была выведена для случая бесконечных сред по обе стороны барьера.

График зависимости коэффициента пропускания от частоты звука для барьера высотой 652 герца и шириной 14 миллиметров. В диапазоне от 5,8 до 6,8 килогерц наблюдается плато почти стопроцентной пропускаемости.

Стоит также отметить, что все эксперименты сопровождались численным моделированием прохождения звука через гетероструктуру, выполненным с помощью метода конечных элементов, что обеспечило достоверность полученных результатов. Помимо важности работы с точки зрения подтверждения теории, ее результаты могут быть использованы для улучшения прохождения звуков через разнообразные интерфейсы. Это может быть полезно при решении многих технических задач, начиная от создания подводных сонаров и заканчивая медициной.
Фононы не в первый раз привлекают внимание ученых. Не так давно физики научились видеть единичные кванты звука, охлаждать их с помощью лазера и даже обнаружили у них отрицательную массу.

Марат Хамадеев

https://nplus1.ru/

Ключевые слова:
Читайте также:

Полезные утренние привычки, способствующие похудению

Решили сбросить вес? Кроме правильного питания и физической активности, важно правильно организовать свое утро.
Подробнее »»

Ошибки при уборке дома: их допускают многие хозяйки

Стремясь навести идеальный порядок, часто мы делаем это неправильно. В итоге сводим все усилия на нет.
Подробнее »»

Книги о Форекс: кому они полезны

Поиск дополнительного заработка - актуальный вопрос, который возникает перед многими людьми
Подробнее »»

В ВОЗ рассказали, сколько дней переболевшие COVID-19 остаются заразными для окружающих

Всемирная организация здравоохранения назвала срок, в который переболевшие COVID-19 остаются заразными для окружающих.
Подробнее »»

Новую вспышку коронавируса зафиксировали в Китае

Новым эпицентром коронавирусной инфекции стала провинция Цзилинь на северо-востоке Китая. За прошедшие сутки в регионе выявили 43 новых случая инфекции.
Подробнее »»

bigmir)net TOP 100 Яндекс.Метрика

При использовании информации в печатном или электронном виде ссылка на www.neboley.com.ua обязательна.
Интернет–издание не несет ответственность за достоверность информации, размещенной в разделах народной медицины. Предупреждаем, прежде чем воспользоваться рецептами нетрадиционной медицины обязательно посоветуйтесь с врачом.
За содержание рекламы ответственность несет рекламодатель.

Электронная почта портала: info@neboley.com.ua