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(gè)物質(zhì)介質(zhì)來(lái)傳播。如果沒(méi)有介質(zhì)，聲波就無(wú)法存在，也無(wú)法傳遞能量。這就像我們?cè)谡婵罩袩o(wú)法聽到聲音一樣。那么，如果兩個(gè)物體之間有一個(gè)很小的真空間隙，聲波能否從一個(gè)物體傳到另一個(gè)物體呢？這看起來(lái)似乎是不可能的，因?yàn)槁暡ㄔ谡婵罩袝?huì)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(chǎng)，或者將電場(chǎng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械形變的材料。當(dāng)一個(gè)聲波在一個(gè)壓電材料中傳播時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與之相伴的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)并不局限于材料內(nèi)部，而是會(huì)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?cè)陔姶艑W(xué)中學(xué)過(guò)的那樣，當(dāng)一個(gè)平面電磁波在一個(gè)導(dǎo)體表面上反射時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)表面電流和一個(gè)表面電荷密度。這些表面電荷會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向外延伸的衰減電場(chǎng)。
如果我們把兩個(gè)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(zhǎng)，那么從一個(gè)材料發(fā)出的聲波所產(chǎn)生的衰減電場(chǎng)就有可能足夠強(qiáng)，以至于能夠影響到另一個(gè)材料的表面電荷，并且激發(fā)出另一個(gè)聲波。這就相當(dāng)于聲波通過(guò)了真空間隙，實(shí)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(gè)壓電材料傳到另一個(gè)壓電材料呢？換句話說(shuō)，在什么條件下，從一個(gè)材料發(fā)出的聲波能量等于進(jìn)入另一個(gè)材料的聲波能量呢？這就需要我們考慮兩個(gè)壓電材料之間的匹配問(wèn)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(chǎng)效應(yīng)。只有那些與晶體對(duì)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(chǎng)中。這些聲波被稱為壓電活性聲波。例如，在具有六方對(duì)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(shí)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(gè)壓電材料之間實(shí)現(xiàn)完全隧穿。只有當(dāng)兩個(gè)材料的聲波阻抗（即聲波在材料中傳播時(shí)所受到的阻力）相等或者相近時(shí)，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?cè)诠鈱W(xué)中學(xué)過(guò)的那樣，當(dāng)光從一個(gè)介質(zhì)進(jìn)入另一個(gè)介質(zhì)時(shí)，如果兩個(gè)介質(zhì)的折射率相等或者相近，那么光就不會(huì)發(fā)生反射，而是完全地透射。因此，我們要想實(shí)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(gè)壓電材料完全地傳到另一個(gè)壓電材料，而不會(huì)發(fā)生任何反射或衰減。這就是聲波完全隧穿效應(yīng)。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
那么，這種效應(yīng)是否真的存在呢？有沒(méi)有人做過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)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(duì)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(gè)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(gè)超聲換能器來(lái)產(chǎn)生和接收聲波，并且測(cè)量了聲波在兩個(gè)材料之間的透射系數(shù)（即進(jìn)入另一個(gè)材料的聲波能量與從一個(gè)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(gè)材料傳到另一個(gè)材料，而沒(méi)有任何損失。這就是實(shí)驗(yàn)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(lái)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(shí)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(lái)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(shí)現(xiàn)選擇性的透射或反射，從而實(shí)現(xiàn)了聲波的調(diào)制和濾波。
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：萬(wàn)象經(jīng)驗(yàn) （ID：UR4351），作者：Eugene Wang
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