Физиците проведоха експеримент с два процепа, но със звук, и получиха изкривена картина. Защо се получи така?

Експериментът с двата процепа е може би най-известният експеримент в квантовата физика. Пропуснете сноп светлина или електрони през два близко разположени процепа и на екрана зад тях ще видите не две ивици, а редуваща се картина от светли и тъмни области. Това е интерференцията. Тя доказва, че светлината и материята се държат като вълни.

Този експеримент е повтарян стотици пъти с различни обекти – от фотони до гигантски молекули. Резултатът винаги е един и същ. Но какво би станало, ако го направите не във вакуум, а върху повърхността на някакъв материал? Точно това са направили физиците от Лайденския университет.

Те повторили опита на Юнг. Но не със светлина или електрони, а със звук. И резултатът бил погрешен – именно както предвиждала теорията.

Защо звук, а не светлина?

В експеримента били използвани не обикновени звукови вълни, а повърхностни акустични вълни (ПАВ). Това са механични вибрации, които се разпространяват по повърхността на твърдото тяло, подобно на вълните на водата, но в гигахерцовия диапазон. Тези вълни са с изключително малка дължина – от порядъка на микрони.

За какво служат те? Повърхностноактивните вещества са работните коне на съвременните технологии. Те са в основата на филтрите в нашите смартфони, като им дават възможност да работят на правилните честоти. А през последните години те се превърнаха в ключов инструмент в квантовите технологии. ПАВ могат да взаимодействат с кубитите – единичните клетки на квантовите компютри – като предават информация към тях с висока точност.

Затова разбирането на това как точно се разпространяват и интерферират тези вълни е приложна задача. Експериментът с двата процепа е най-добрият начин да се провери това.

Експеримент в миниатюра: гребени, жлебове и лазер.

Как да накарате звука да премине през два процепа на микроравнище? Проектът изглежда по следния начин.

1. Източникът на вълните. Върху подложка от кристал галиев арсенид (GaAs) е поставен т.нар. насрещен преобразувател – това е структура от насрещни метални електроди, наподобяваща гребен. Подаването на променливо напрежение с честота около 1 GHz кара кристала да вибрира и да генерира САВ.
2. Прорезите. Преградата за вълните са два жлеба, изрязани в кристала с помощта на фокусиран йонен лъч. Тези жлебове блокират по-голямата част от вълната, позволявайки ѝ да преминава само през двете тесни пролуки – въпросните процепи.
3. Детекторът. Измерването на малките повърхностни вибрации е нетривиална задача. Амплитудата им е само няколко пикометра (това е милиони пъти по-малко от дебелината на човешкия косъм). За тази цел е използван оптичен интерферометър: лазерен лъч сканира повърхността зад процепите и записва нейните вертикални премествания с най-висока точност.

След като са събрали данните от целия регион, учените са получили пълната карта на вълновото поле. И тя показала класическия модел на интерференция. Но с една странност.

Какво означава „анизотропен“ и защо той променя всичко?

В училищния учебник интерференционната картина от два процепа винаги е симетрична. Централният максимум е точно в средата, а останалите линии се отклоняват от него в двете посоки. При експеримента със САУ моделът е изкривен. Тя се оказа изместена настрани и разстоянието между ивиците не съвпадаше с простите изчисления.

За какво става дума? В материала – Галиевият арсенид е анизотропен кристал.

Анизотропията е свойство на даден материал, при което характеристиките му зависят от направлението. Представете си дъска: по дължината на влакната е лесно да се разцепи, но напречно на влакната е много по-трудно. Същото важи и за кристала: скоростта на звука зависи от посоката, в която се движи през кристалната решетка.

Точно това се случи при експеримента. Вълните, които излизаха от процепите, се разпространяваха под различни ъгли. Поради анизотропията на GaAs скоростта им беше различна за различните посоки. Вълните, които се движат направо, имат една скорост, докато тези, които се отклоняват встрани, имат малко по-различна скорост. Тази малка разлика в скоростта, по-малка от 1 %, води до два ефекта:

• „Насочването“: целият интерференционен лъч сякаш се насочва към посоката с най-голяма скорост.
• Промяната на периода: разстоянието между интерференчните линии намаляваше в сравнение с това, което би било в една изотропна, хомогенна среда.

Полученият резултат напълно съвпадна с теоретичния модел, който отчиташе анизотропните свойства на кристала.

Фундаменталната физика в реалния свят

Какво ни казва този резултат? На първо място, това е първата в историята демонстрация на експеримента на Юнг за повърхностни акустични вълни. Той ясно показва, че фундаменталните закони за вълните действат и за такива системи.

Но има и по-дълбок извод. Класическите експерименти, описани в учебниците, често разглеждат идеализирани условия – вакуум, хомогенна среда. Изследването показва как реалните свойства на материалите могат драстично да променят картината.

За инженерите, които създават акустоелектронни устройства или компоненти за квантови компютри, това е изключително важна информация. Вече е ясно, че дори минималното завъртане на устройството спрямо осите на кристала може да измести акустичния лъч и да повлияе на работата на цялата система.