ساخت عایق صدا به کمک کوانتوم

دانشمندان ETH نشان دادند همیشه از یک نظریه ی علمی تا کاربرد عملی، راه درازی وجود ندارد، چرا که آنها موفق شدند مکانیک کوانتومی را در ساخت عایق های صدا استفاده کنند. با دیپ لوک همراه باشید…

دونات ها، جریان الکتریکی و فیزیک کوانتوم! این سه کلمه، برای اکثر مردم بی ربط و عجیب است، اما همین سه کلمه در واقع توصیف مختصر دانشمندان از پروژه تازه ای است که امروز میخواهیم به آن بپردازیم. داستان امروز ما از عایق های توپولوژیکی شروع می شود. بنابراین اجازه دهید کمی با این مفهوم آشنا شویم. علم توپولوژی، مطالعه ی خصوصیاتی است که در طی تغییر شکلها، ضربه خوردن‌ها و کشیده شدن اشیاء، به طور ثابت حفظ می‌شوند، البته توجه کنید که اشیا نباید تکه تکه شوند. ساده ترین راه برای فهم “توپولوژیک” این است که تصور کنیم چگونه یک دونات با کشش وتغییر شکل، اما بدون بریدن و تکه تکه شدن، به یک فنجان قهوه خوری تبدیل شود (شکل زیر). یعنی از لحاظ توپولوژیکی، دونات ها و فنجان های قهوه خوری، یکسان هستند و با اعمال اصل یکسانی به تابع موج کوانتومی الکترون ها در یک جامد، پدیده ی عایق توپولوژکی بدست می آیند. عایق های توپولوژیکی درواقع مواد الکترونیکی هستند که هم رسانا و هم عایق می‌باشند و توانایی هدایت جریان الکتریکی را در توپولوژیشان دارند. این مفهوم فیزیک کوانتوم، بسیار پیچیده تر و دورتز ار زندگی روزمره ی ما است، اما با این وجود پروفسور هابر و همکارانش توانسته اند این ایده ی اولیه و خام را بسیار به کاربرد عملی نزدیک کنند.

از کوانتا تا مکانیک

ابتدا هابر یک سوال ساده پرسید: آیا میتوان اصل عایق صدای توپولوژیکی را به سیستم های مکانیکی اعمال کرد؟ معمولاً فیزیک کوانتوم و مکانیک، دو دنیای جدا هستند. در دنیای کوانتوم، ذرات می توانند از سدها تونل زنی کنند و به عنوان یک موج یکدیگر را تقویت یا تخریب کنند، در حالیکه در مکانیک مثلاً با افتادن اجسام یا آنالیز ساختاری پل ها سروکار داریم. اما هابر و همکارانش دریافتند که فرمول های ریاضی توصیف کننده ی ویژگی های کوانتومی یک عایق توپولوژیکی را می توان طوری بازآرایی کرد که دقیقاً مانند یک سیستم مکانیکی شناخته شده به نظر برسند، مثلاً آرایه ای از پاندول های در حال نوسان.

فرمول های مکانیکی درست مانند همتایان کوانتومیشان، حالت های به اصطلاح لبه ای را پیش بینی می کنند. در چنین حالت هایی، یک جریان الکتریکی (یا در مورد پاندول، یک ارتعاش مکانیکی) در امتداد لبه های مواد جریان می یابد، درحالیکه درون سیستم هیچ چیزی رخ می دهد.

دانشمندان ETH، یک سیستم مکانیکی شامل ۲۷۰ پاندولی را ساختند، این پاندول ها در یک شبکه ی مستطیلی مرتب شده بودند و با فنرهای کوچکی به یکدیگر متصل شده بودند. دو عدد از این پاندول ها می توانند به صورت مکانیکی برانگیخته شود، یعنی می توانند با یک فرکانس و قدرت ویژه، جلو عقب بروند. اتصال سایر پاندول از طریق فنر، کم کم باعث نوسان سایر پاندول ها نیز می شود. سرانجام در یک فرکانس برانگیختگی خاص، فیزیکدانان چیزی که به دنبالش بودند را مشاهده کردند: پاندول های درون شبکه ی مستطیلی ایستاده بودند، در حالیکه در طول لبه، به طور ریتمیک نوسان می کردند، در نتیجه یک موج در اطراف مستطیل، جریان یافت. به عبارت دیگر، پاندول ها درست مثل یک عایق توپولوژیکی رفتار می کردند.

لنزهای صدا و بازوهای رباتیک

سیستمی که پروفسور هابر و همکارانش ساختند، در واقع یک سیستم توپولوژیکی است، یعنی ویژگی های جالب این سیستم با تغییر شکل یا حتی حذف بخشی از مستطیل، همچنان حفظ خواهند شد. چنین ویژگی هایی را می توان مثلاً برای عایق های صدا و ارتعاش به کاربرد. این کاربردها در حوزه های مختلف صنعت مهم و لازم هستند، به عنوان مثال زمانیکه بازوهای یک ربات باید اشیا را با دقت تمام و بدون هیچ لرزشی، در جای خاصی قرار دهند. علاوه بر این، چنین سیستمی را می توان برای موادی که صدا را تنها در یک مسیر انتقال می دهند یا موادی که صدا را مثل یک لنز متمرکز می کنند،به کار برد.

اگر چه چالش های بسیاری در مسیر عملی کردن این کاربردها وجود دارد، اما واقع بینانه هستند. البته سیستم های مکانیکی ابتدا باید به طور قابل ملاحظه ای فشرده و کوچک شوند. پاندول های هابر، اندازه ای حدود نیم متر و وزن حدود نیم کیلو دارند، اما مهدنسان هم اکنون در حال ساخت سیستم جدیدی هستند که بدون پاندول ها کار می کند و تنها چند سانتی متر اندازه دارد.

منبع: phys.org

برای آگاهی از تازه ترین مقالات دیپ لوک، کافیست ایمیل خود را در فیلد زیر وارد کرده و دکمه ی اشتراک را بزنید. [wysija_form id=”1″]