Configurazione sperimentale:i cristalli fononici artificiali sono progettati e fabbricati dal team di ricerca. Il suono emesso dalla schiera di altoparlanti si propaga normalmente da destra ed eccita la quasiparticella relativistica all'interno dei cristalli fononici. Un mini microfono è collegato a un motore di movimento 3D per scansionare il campo di pressione. Credito:Università di Hong Kong
La perfetta trasmissione del suono attraverso una barriera è difficile da ottenere, se non impossibile in base alle nostre conoscenze esistenti. Questo è vero anche con altre forme di energia come la luce e il calore.
Un gruppo di ricerca guidato dal professor Xiang Zhang, Presidente dell'Università di Hong Kong (HKU) quando era professore all'Università della California, Berkeley, (UC Berkeley) ha per la prima volta dimostrato sperimentalmente una teoria quantistica vecchia di un secolo che le particelle relativistiche possono attraversare una barriera con una trasmissione del 100%. I risultati della ricerca sono stati pubblicati nella migliore rivista accademica Scienza .
Così come sarebbe difficile per noi saltare sopra un muro alto e spesso senza abbastanza energia accumulata. In contrasto, si prevede che una particella microscopica nel mondo quantistico possa attraversare una barriera ben oltre la sua energia indipendentemente dall'altezza o dalla larghezza della barriera, come se fosse "trasparente".
Già nel 1929, il fisico teorico Oscar Klein ha proposto che una particella relativistica può penetrare una potenziale barriera con una trasmissione del 100% sulla normale incidenza sulla barriera. Gli scienziati hanno chiamato questo fenomeno esotico e controintuitivo la teoria del "tunneling di Klein". Nei successivi 100 anni dispari, gli scienziati hanno provato vari approcci per testare sperimentalmente il tunneling di Klein, ma i tentativi non hanno avuto successo e mancano ancora prove sperimentali dirette.
Il team del professor Zhang ha condotto l'esperimento in cristalli fononici progettati artificialmente con reticolo triangolare. Le proprietà di dispersione lineare del reticolo consentono di imitare la quasiparticella relativistica di Dirac mediante eccitazione sonora, che ha portato alla riuscita osservazione sperimentale del tunneling di Klein.
I cristalli fononici sono realizzati posizionando artificialmente i perni acrilici nel modello speciale. Credito:Università di Hong Kong
"Questa è una scoperta entusiasmante. I fisici quantistici hanno sempre cercato di osservare il tunneling di Klein negli esperimenti sulle particelle elementari, ma è un compito molto difficile. Abbiamo progettato un cristallo fononico simile al grafene in grado di eccitare le quasiparticelle relativistiche, ma a differenza del materiale naturale del grafene, la geometria del cristallo fononico artificiale può essere regolata liberamente per ottenere con precisione le condizioni ideali che hanno reso possibile la prima osservazione diretta del tunneling di Klein, ", ha detto il professor Zhang.
Il risultato non rappresenta solo una svolta nella fisica fondamentale, ma presenta anche una nuova piattaforma per esplorare i sistemi emergenti su macroscala da utilizzare in applicazioni come dispositivi logici su chip per la manipolazione del suono, elaborazione del segnale acustico, e la raccolta di energia sonora.
"Nelle comunicazioni acustiche attuali, la perdita di trasmissione dell'energia acustica sull'interfaccia è inevitabile. Se la trasmittanza sull'interfaccia può essere aumentata fino a quasi il 100%, l'efficienza delle comunicazioni acustiche può essere notevolmente migliorata, aprendo così applicazioni all'avanguardia. Ciò è particolarmente importante quando la superficie o l'interfaccia giocano un ruolo nell'ostacolare l'accuratezza del rilevamento acustico come l'esplorazione subacquea. La misura sperimentale è anche favorevole allo sviluppo futuro dello studio di quasiparticelle con proprietà topologiche in cristalli fononici che potrebbero essere difficili da eseguire in altri sistemi, " ha detto il dottor Xue Jiang, un ex membro del team di Zhang e attualmente Ricercatore Associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell'Università Fudan.
Il dottor Jiang ha sottolineato che i risultati della ricerca potrebbero anche avvantaggiare i dispositivi biomedici. Può aiutare a migliorare l'accuratezza della penetrazione degli ultrasuoni attraverso gli ostacoli e raggiungere obiettivi designati come tessuti o organi, che potrebbe migliorare la precisione degli ultrasuoni per una migliore diagnosi e trattamento.
Sulla base degli esperimenti in corso, i ricercatori possono controllare la massa e la dispersione della quasiparticella eccitando i cristalli fononici con frequenze diverse, ottenendo così una configurazione sperimentale flessibile e un controllo on/off del tunneling di Klein. Questo approccio può essere esteso ad altre strutture artificiali per lo studio dell'ottica e della termotica. Permette il controllo senza precedenti di quasiparticelle o fronte d'onda, e contribuisce all'esplorazione di altri complessi fenomeni fisici quantistici.
