Физики провели эксперимент с двумя щелями, но со звуком и получили искаженную картинку. Почему так вышло?
Эксперимент с двумя щелями — это, пожалуй, самый известный опыт в квантовой физике. Пропустите пучок света или электронов через две близко расположенные щели, и на экране за ними вы увидите не две полосы, а чередующийся узор из светлых и темных участков. Это интерференция. Она доказывает, что свет и материя ведут себя как волны.
Этот эксперимент повторяли сотни раз с разными объектами, от фотонов до гигантских молекул. Результат всегда был одинаковым. Но что, если провести его не в вакууме, а на поверхности материала? Именно это и сделали физики из Лейденского университета.
Они повторили опыт Юнга. Но не со светом или электронами, а со звуком. И результат получился неправильным — ровно так, как и предсказывала теория.
Почему звук, а не свет?
В эксперименте использовали не обычные звуковые волны, а поверхностные акустические волны (ПАВ). Это механические колебания, которые бегут по поверхности твердого тела, подобно ряби на воде, но в гигагерцевом диапазоне. У таких волн крайне малая длина — порядка микронов.
Зачем они нужны? ПАВ — рабочие лошадки современной техники. Они лежат в основе фильтров в ваших смартфонах, позволяя им работать с нужными частотами. А в последние годы они стали ключевым инструментом в квантовых технологиях. ПАВ могут взаимодействовать с кубитами — элементарными ячейками квантовых компьютеров, — передавая им информацию с высокой точностью.
Поэтому понимать, как именно эти волны распространяются и интерферируют — задача прикладная. И эксперимент с двумя щелями — лучший способ это проверить.
Эксперимент в миниатюре: гребни, канавки и лазер
Как заставить звук пройти через две щели на микроуровне? Конструкция выглядит так.
- Источник волн. На подложке из кристалла арсенида галлия (GaAs) разместили так называемый встречно-штыревой преобразователь — это структура из встречных металлических электродов, напоминающая гребенку. Подача на него переменного напряжения с частотой около 1 ГГц заставляет кристалл вибрировать и генерировать ПАВ.
- Щели. Преградой для волн стали две канавки, прорезанные в кристалле с помощью сфокусированного ионного пучка. Эти канавки блокируют большую часть волны, пропуская ее только через два узких зазора — наши щели.
- Детектор. Измерить крошечные колебания поверхности — задача нетривиальная. Их амплитуда составляет всего несколько пикометров (это в миллионы раз меньше толщины человеческого волоса). Для этого использовали оптический интерферометр: лазерный луч сканировал поверхность за щелями и с высочайшей точностью регистрировал ее вертикальные смещения.
Собрав данные со всей области, ученые получили полную карту волнового поля. И на ней проявился классический интерференционный узор. Но с одной странностью.
Что значит «анизотропный» и почему он всё меняет?
В школьном учебнике интерференционная картина от двух щелей всегда симметрична. Центральный максимум находится ровно посередине, а остальные полосы расходятся от него в обе стороны. В эксперименте с ПАВ картина была скошена. Она была смещена в сторону, а расстояние между полосами не совпадало с простыми расчетами.
В чем же дело? В материале. Арсенид галлия — кристалл анизотропный.
Анизотропия — это свойство материала, при котором его характеристики зависят от направления. Представьте себе доску: вдоль волокон ее легко расколоть, а поперек — сильно сложнее. Точно так же и в кристалле: скорость звука зависит от того, в каком направлении по кристаллической решетке он движется.
Именно это и произошло в эксперименте. Волны, вышедшие из щелей, распространялись под разными углами. Из-за анизотропии GaAs их скорость была разной для разных направлений. Волны, идущие прямо, имели одну скорость, а те, что отклонялись в стороны, — немного другую. Это небольшое, менее 1%, различие в скорости привело к двум эффектам:
- «Рулевое управление»: весь интерференционный пучок как бы повернуло в сторону направления с наибольшей скоростью.
- Изменение периода: расстояние между интерференционными полосами уменьшилось по сравнению с тем, каким оно было бы в изотропной, однородной среде.
Полученный результат идеально совпал с теоретической моделью, которая учитывала анизотропные свойства кристалла.
Фундаментальная физика в реальном мире
Что нам дает этот результат? Во-первых, это первая в истории демонстрация эксперимента Юнга для поверхностных акустических волн. Она наглядно показывает, что фундаментальные волновые законы работают и для таких систем.
Но есть и более глубокий вывод. Классические опыты, описанные в учебниках, часто рассматривают идеализированные условия — вакуум, однородную среду. Исследование показывает, как реальные свойства материала могут кардинально менять картину.
Для инженеров, создающих акустоэлектронные устройства или компоненты для квантовых компьютеров, это критически важная информация. Теперь ясно, что даже минимальный поворот устройства относительно осей кристалла может сместить акустический пучок и повлиять на работу всей системы.
Источник: Optics Letters
