Et fælles forskerteam har med succes demonstreret den komplette indeslutning af mekaniske bølger inden for en enkelt resonator – noget, der længe tænkte at være teoretisk umulig. Deres fund, der blev offentliggjort den 3. april i Fysiske gennemgangsbrevemarkerer et stort gennembrud i det århundrede gamle mysterium af bundet stater i kontinuummet (BIC). Holdet er fra Postech (Pohang University of Science and Technology) og Jeonbuk National University.
Mange teknologier omkring os – fra smartphones og ultralydsindretninger til radioer – er på ro på resonans, et fænomen, hvor bølger forstærkes ved specifikke frekvenser. Imidlertid mister typiske resonatorer gradvist energi over tid og kræver konstant energiindgang for at opretholde deres funktion.
For næsten et århundrede siden foreslog Nobelprisvindere John von Neumann og Eugene Wigner et counterintuitivt koncept: Under visse betingelser kunne bølger fanges på ubestemt tid uden energilækage. Disse såkaldte bundne tilstande i kontinuummet (BIC) er som boblebad, der forbliver på plads, selv når en flod flyder omkring dem. Men i årtier troede forskere, at dette fænomen ikke kunne eksistere i et kompakt, enkeltpartikel-system.
Nu har forskerteamet brudt denne mangeårige teoretiske grænse ved med succes at realisere BIC i en enkelt partikel.
Ved hjælp af et system med cylindriske granulære partikler – små solide stænger lavet af kvarts – byggede forskerne en meget afstemelig mekanisk platform. Ved nøjagtigt at justere, hvordan cylindrene berører hinanden, kunne de kontrollere, hvordan mekaniske bølger interagerer ved kontaktgrænser.
Under speciel justering blev en bølgetilstand fuldt indesluttet inden for en enkelt cylinder uden energi, der slipper ud i den omgivende struktur. Denne såkaldte polarisationsbeskyttede BIC var ikke kun teoretisk-den blev observeret i reelle eksperimenter. Endnu mere bemærkelsesværdigt opnåede systemet kvalitetsfaktorer (Q-faktorer) på over 1.000, et mål for, hvor effektivt en resonator opbevarer energi med minimalt tab.
Hvad sker der, når mange af disse specielle cylindre er forbundet i en kæde? Holdet opdagede, at de fangede bølgetilstande kunne strække sig gennem hele kæden uden at sprede sig – et fænomen kendt som et fladbånd.
“Det er som at kaste en sten i en stadig dam og se krusningerne forblive bevægelige og vibrerer kun på plads,” sagde hovedforfatter Dr. Yeongtae Jang. “Selvom systemet tillader bølgebevægelse, spreder energien ikke – det forbliver perfekt indesluttet.”
Denne opførsel beskrives som et bundet bånd i kontinuummet (BBIC) og åbner nye muligheder for energihøstning, ultra-følsomme sensorer og endda avanceret kommunikation.
“Vi har brudt en langvarig teoretisk grænse,” sagde professor Junsuk Rho, der leder forskningen. “Selvom dette stadig er i den grundlæggende forskningsfase, er implikationerne betydelige-fra lavtabs energienheder til næste generations sensing og signalteknologier.”