یک تیم پژوهشی از دانشگاه POSTECH (دانشگاه علوم و فناوری پوهانگ) و دانشگاه ملی جئونبوک موفق شده‌اند نشان دهند که امواج مکانیکی می‌توانند کاملاً درون یک تشدیدگر جامد واحد به دام بیفتند؛ چیزی که پیش‌تر تصور می‌شد در سیستم‌های فشرده غیرممکن است. این کشف هیجان‌انگیز که بر روی پدیده‌ای به نام حالت‌های محدود در پیوستار یا BIC (Bound States in the Continuum) متمرکز است، در تاریخ ۳ آوریل در مجله معتبر Physical Review Letters منتشر شده است. در این حالت‌ها، امواج مکانیکی بدون از دست دادن انرژی در یک نقطه ثابت می‌مانند، حتی با وجود مسیرهایی برای فرار آنها.
تشدیدگرها و نقش آنها در فناوری‌های روزمره
تشدیدگرها یکی از اجزای کلیدی دستگاه‌هایی هستند که هر روز از آنها استفاده می‌کنیم، مانند تلفن‌های هوشمند ، اسکنرهای فراصوت و رادیوها . این دستگاه‌ها امواج را در فرکانس‌های خاص تقویت می‌کنند، اما معمولاً انرژی به مرور زمان از آنها نشت می‌کند و نیازمند ورودی مداوم هستند. حالا، این پژوهش نشان داده است که تحت شرایط خاص، امواج مکانیکی می‌توانند بدون نشت انرژی به دام بیفتند و برای همیشه باقی بمانند.
تقریباً یک قرن پیش، جان فون نویمان و یوجین ویگنر نظریه‌ای را مطرح کردند که چنین حالتی ممکن است، اما این نظریه در تنظیمات تک‌ذره‌ای غیرممکن به نظر می‌رسید. تیم پژوهشی اکنون توانسته این نظریه را به واقعیت تبدیل کند.
چگونه امواج مکانیکی بدون نشت انرژی به دام افتاده‌اند؟
پژوهشگران هم به صورت نظری و هم تجربی نشان داده‌اند که BICهای واقعی، که توسط قطبش محافظت می‌شوند، می‌توانند درون تشدیدگرهای جامد فشرده وجود داشته باشند. آنها یک سیستم مکانیکی از کریستال‌های گرانولی استوانه‌ای ساخته‌اند که شامل میله‌های کوچک از جنس کوارتز است. راز موفقیت آنها در تنظیم دقیق مرزهای تماس بین استوانه‌ها نهفته است. این نقاط تماس مانند دکمه‌های تنظیم حساس عمل می‌کنند و امکان کنترل کامل امواج مکانیکی را فراهم می‌کنند.
با تغییر تنظیمات این تماس‌ها، پژوهشگران توانستند به طور دقیق بین حالت‌های BIC و حالت‌های مشابه آن (شبه-BIC) جابه‌جا شوند. در یک آزمایش خاص، آنها مشاهده کردند که یک موج مکانیکی توانست کاملاً درون یک استوانه واحد باقی بماند و هیچ نشتی قابل اندازه‌گیری به بخش‌های مجاور نداشت. این حالت با استفاده از یک لرزش‌سنج لیزری داپلر تأیید شد که ارتعاشات سطحی کوچک را با دقت بالا اندازه‌گیری می‌کند.
این تشدیدگر توانست BICهایی با فاکتور کیفیت بالای ۱۰۰۰ را پشتیبانی کند. فاکتور کیفیت (Q) نشان‌دهنده میزان میرایی نوسان است؛ هرچه مقدار Q بالاتر باشد، انرژی کمتر از دست می‌رود.
اتصال تشدیدگرها؛ گامی به سوی فناوری‌های پیشرفته
از آنجا که یک تشدیدگر می‌تواند میزبان یک BIC باشد، اتصال چندین تشدیدگر به یکدیگر امکان اتصال این حالت‌های به دام افتاده را فراهم می‌کند. پژوهشگران یک زنجیره متشکل از چندین تشدیدگر با تقارن شکسته ساختند و مشاهده کردند که این زنجیره یک باند تخت شبه‌محدود ایجاد می‌کند.
در یک باند تخت، سرعت موج در یک فرکانس خاص صفر می‌شود؛ به این معنا که انرژی به جای انتشار، ثابت می‌ماند. تمامی استوانه‌های زنجیره نشان دادند که ارتعاشات با کیفیت بالا و بدون پراکندگی اتفاق می‌افتد.
مانند سنگی در برکه‌ای آرام
دکتر یئونگ‌ته جانگ، نویسنده اصلی این پژوهش، این پدیده را به این شکل توصیف می‌کند:
“این مانند انداختن یک سنگ در یک برکه آرام است که امواج آن ثابت می‌مانند و تنها در جای خود ارتعاش می‌کنند. حتی با وجود اینکه سیستم اجازه حرکت موج را می‌دهد، انرژی پخش نمی‌شود و کاملاً محبوس باقی می‌ماند.”
این تیم این اثر را در سطح زنجیره باند محدود در پیوستار یا BBIC نامیده‌اند. آنها به کاربردهای احتمالی این پدیده در حوزه‌هایی مانند برداشت انرژی، حسگرهای فوق‌العاده حساس و ارتباطات اشاره کرده‌اند، جایی که اتلاف کم و محبوس‌شدن قوی امواج می‌تواند عملکرد دستگاه‌ها را به شکل چشمگیری بهبود دهد.
شکستن مرزهای نظری قدیمی
پروفسور جون‌سوک رو، سرپرست این پژوهش، گفت:
“ما یک مرز نظری قدیمی را شکسته‌ایم. در حالی که این تحقیق هنوز در مرحله تحقیقات بنیادی قرار دارد، پیامدهای آن قابل توجه است—از دستگاه‌های انرژی کم‌اتلاف گرفته تا فناوری‌های حسگری و سیگنال نسل بعدی.”
درواقع و به زبان ساده‌تر این تیم مجموعه‌ای از استوانه‌های کوارتز ساخته‌اند که نقاط تماس آنها مانند دکمه‌های حساس عمل می‌کند. با تنظیم دقیق این نقاط تماس، موج مکانیکی می‌تواند درون یک استوانه ارتعاش کند بدون اینکه انرژی نشت کند. اگر چندین استوانه به صورت زنجیره‌ای به هم متصل شوند، این ارتعاش به دام افتاده می‌تواند در کل زنجیره وجود داشته باشد بدون اینکه پراکنده شود.
این پژوهش نشان‌دهنده یک مسیر روشن برای مطالعه و استفاده از محبوس‌شدن قوی موج در سیستم‌های جامد فشرده است و می‌تواند به توسعه فناوری‌های پیشرفته در آینده منجر شود.