聲波隧穿效應(yīng)
大家都知道，聲波是一種機(jī)械波，它需要有一個物質(zhì)介質(zhì)來傳播。如果沒有介質(zhì)，聲波就無法存在，也無法傳遞能量。這就像我們在真空中無法聽到聲音一樣。那么，如果兩個物體之間有一個很小的真空間隙，聲波能否從一個物體傳到另一個物體呢？這看起來似乎是不可能的，因為聲波在真空中會衰減到零。但是，有一種特殊的物質(zhì)，叫做壓電材料，它可以使這種看似不可能的事情變成可能。
壓電材料是一種能夠?qū)C(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電場，或者將電場轉(zhuǎn)化為機(jī)械形變的材料。當(dāng)一個聲波在一個壓電材料中傳播時，它會產(chǎn)生一個與之相伴的電場。這個電場并不局限于材料內(nèi)部，而是會延伸到材料表面外部，并且隨著距離的增加而指數(shù)衰減。這就像我們在電磁學(xué)中學(xué)過的那樣，當(dāng)一個平面電磁波在一個導(dǎo)體表面上反射時，它會產(chǎn)生一個表面電流和一個表面電荷密度。這些表面電荷會產(chǎn)生一個向外延伸的衰減電場。
如果我們把兩個壓電材料放得很近，使得它們之間的真空間隙小于聲波的波長，那么從一個材料發(fā)出的聲波所產(chǎn)生的衰減電場就有可能足夠強(qiáng)，以至于能夠影響到另一個材料的表面電荷，并且激發(fā)出另一個聲波。這就相當(dāng)于聲波通過了真空間隙，實現(xiàn)了一種隧穿效應(yīng)。這種效應(yīng)并不依賴于任何量子力學(xué)的原理，而是純粹由經(jīng)典的機(jī)械和電磁理論所描述。
完全隧穿條件
那么，在什么條件下，聲波可以完全地從一個壓電材料傳到另一個壓電材料呢？換句話說，在什么條件下，從一個材料發(fā)出的聲波能量等于進(jìn)入另一個材料的聲波能量呢？這就需要我們考慮兩個壓電材料之間的匹配問題。
首先，我們要注意到，并不是所有類型和方向的聲波都能夠在壓電材料中產(chǎn)生顯著的電場效應(yīng)。只有那些與晶體對稱性相適應(yīng)，并且具有橫向分量（即垂直于傳播方向）的形變或應(yīng)力的聲波才能夠有效地耦合到電場中。這些聲波被稱為壓電活性聲波。例如，在具有六方對稱性（例如鋅鐵礦石）的壓電材料中，只有沿著六角軸方向傳播的橫波才是壓電活性的。因此，我們要想實現(xiàn)聲波的隧穿效應(yīng)，就必須選擇合適的壓電材料和聲波的極化和傳播方向。
其次，我們要注意到，并不是所有頻率的聲波都能夠在兩個壓電材料之間實現(xiàn)完全隧穿。只有當(dāng)兩個材料的聲波阻抗（即聲波在材料中傳播時所受到的阻力）相等或者相近時，才能夠避免聲波在界面上的反射，并且保證聲波能量的最大傳輸。這就像我們在光學(xué)中學(xué)過的那樣，當(dāng)光從一個介質(zhì)進(jìn)入另一個介質(zhì)時，如果兩個介質(zhì)的折射率相等或者相近，那么光就不會發(fā)生反射，而是完全地透射。因此，我們要想實現(xiàn)聲波的完全隧穿，就必須選擇合適的壓電材料和聲波的頻率。
如果滿足了這些條件，那么聲波就可以從一個壓電材料完全地傳到另一個壓電材料，而不會發(fā)生任何反射或衰減。這就是聲波完全隧穿效應(yīng)。
實驗驗證
那么，這種效應(yīng)是否真的存在呢？有沒有人做過實驗來驗證呢？答案是肯定的。在一篇新發(fā)表的論文中，作者就使用了兩種不同類型的壓電材料：鋯鈦酸鉛（PZT）和鋯鈦酸鍶（PST），它們都具有四方對稱性。作者選擇了沿著四方軸方向傳播的橫波作為壓電活性聲波，并且調(diào)節(jié)了聲波的頻率和兩個材料之間的真空間隙，使得它們滿足了完全隧穿條件。
作者使用了一個超聲換能器來產(chǎn)生和接收聲波，并且測量了聲波在兩個材料之間的透射系數(shù)（即進(jìn)入另一個材料的聲波能量與從一個材料發(fā)出的聲波能量之比）。作者發(fā)現(xiàn)，在某些特定頻率下，透射系數(shù)接近于 1，表明聲波幾乎完全地從一個材料傳到另一個材料，而沒有任何損失。這就是實驗上觀察到的聲波完全隧穿效應(yīng)。
應(yīng)用前景
這種效應(yīng)有什么用處呢？作者指出，這種效應(yīng)可以用來制造一種新型的超聲換能器，它可以在不同類型和形狀的壓電材料之間實現(xiàn)高效的聲波傳輸，從而提高了換能器的靈敏度和靈活性。此外，這種效應(yīng)也可以用來制造一種新型的聲波隔離器，它可以在不同頻率的聲波之間實現(xiàn)選擇性的透射或反射，從而實現(xiàn)了聲波的調(diào)制和濾波。
本文來自微信公眾號：萬象經(jīng)驗 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang
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