Физики из Университета Аальто заставили тяжелые бусинки собраться в пучностях стоячей акустической волны, возбужденной в плоской пластинке. Для этого ученые налили на поверхность пластинки воду, которая не позволяла частицам оторваться от пластинки. Рассматривая среднюю силу, действующую на бусинки при разных частотах, исследователи научились перемещать их по заданной траектории. Потенциально разработка ученых может пригодиться для биологических и медицинских исследований, сборки микросистем и тканей. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней рассказывает Physics.
В 1787 году немецкий физик Эрнст Хладни (Ernst Chladni) обнаружил, что песок, насыпанный на плоскую металлическую пластину, собирается в причудливые узоры, если провести по краю пластины смычком. Свои исследования ученый тщательно записал, а полученные узоры зарисовал и опубликовал в книге «Открытия в теории звука» (Entdeckungen über die Theorie des Klanges). Качественно это явление объяснил почти полвека спустя английский физик Майкл Фарадей.
Чтобы это объяснение было нагляднее, заменим двумерную пластину одномерной струной. Если закрепить один из концов струны, а второй трясти с постоянной частотой, в струне возбудится стоячая волна, частота которой связана с частотой возбуждения. При этом в некоторых точках, которые называют пучностями, амплитуда колебаний струны будет максимальной, а в других точках — узлах — струна вообще не будет двигаться. Если поместить песчинку в узел, она будет стоять на месте, будто никаких колебаний нет; если же немного отодвинуть ее от этого положения, под действием вибраций она будет подскакивать и смещаться вдоль струны. Следовательно, за достаточно долгий промежуток времени все песчинки соберутся в узлах. В двумерном случае положение пучностей и узлов связано с частотой возбуждения гораздо сложнее, чем в одномерном, однако суть остается прежней, и со временем тяжелые частицы дрейфуют к неподвижным точкам.
Фарадей также заметил, что это объяснение работает только для массивных частиц, для которых можно пренебречь сопротивлением воздуха. В противном случае частицы вовсе не собираются в узлах стоячей волны, а напротив, стремятся к пучностям. Это поведение физик объяснял потоками воздуха, которые возбуждают колебания пластины. С момента этого объяснения прошло уже почти двести лет, и в течение этого периода все эксперименты подтверждали закономерность, установленную Фарадеем.
Однако исследователи под руководством Цюань Чжоу (Quan Zhou) по-новому посмотрели на классический эксперимент и все-таки заставили тяжелые частицы собраться в пучностях. Для этого ученые налили на поверхность пластины воду. В качестве частиц физики использовали стеклянные бусинки диаметром около 0,75 миллиметра, в качестве поверхности — тонкую кремниевую пластинку размером 5×5 сантиметров. Чтобы добиться лучшего контроля, ученые возбуждали пластинку не смычком, а пьезоэлектрическим актуатором, работающим с частотой от 523 до 29834 герц. Движение бусинок ученые записывали на камеру с частотой 42 кадра в секунду.
Прежде чем ставить эксперимент, физики рассчитали движение частиц теоретически. Поскольку жидкость не позволяла бусинкам оторваться от поверхности, для простоты ученые рассматривали только продольные движения частиц. Кроме того, исследователи пренебрегали акустофоретическими силами (то есть акустической левитацией) ввиду большой массы частиц. В результате движением бусинок управляло только две силы. Первая сила — это сила тяжести (частица хочет скатиться в ямку, которая возникает на месте пучности). Вторая сила связана непосредственно с колебаниями пластинки (поднимающийся материал отталкивает бусинку). Аккуратно рассматривая обе силы и усредняя их за период, много больше периода колебаний пластинки, исследователи обнаружили, что их результирующая всегда направлена в сторону пучностей. Наблюдения за реальными частицами, насыпанными на вибрирующую пластинку, подтвердили предсказание. Стоит отметить, что эти рассуждения не работают, если частицы двигаются в воздухе: в этом случае бусинки могут подпрыгивать, а потому усреднять силы нужно по-другому.
Более того, ученые воспользовались полученными результатами, чтобы направленно перемещать частицы по плоскости. Для этого физики рассчитали картину усредненных сил, действующих на бусинку в разных точках плоскости при фиксированной частоте. Всего ученые рассмотрели 71 частоту, расставленную по хроматической музыкальной шкале (то есть ноты). Некоторые из этих частот отвечали «чистым» резонансным колебаниям пластинки, другие — нерезонасным колебаниям, смешанных из нескольких «чистых» колебаний. Чтобы проверить теоретические расчеты, для каждой ноты физики 25 раз измеряли устоявшееся распределение частиц, в среднем получая 3800 экспериментальных точек. Наконец, используя полученные знания и подавая на акутатор рассчитанные на компьютере сигналы, исследователи научились управлять силой, которая действует на частицу сообразно с ее положением. В результате ученым удалось провести бусинку через воображаемый лабиринт, заставить две бусинки одновременно выписать буквы «L» и «C», а также разделить стайку бусинок на две равные части.
Ученые подчеркивают, что их работа представляет не только теоретический, но и практический интерес. В частности, предложенный метод контроля частиц, рассыпанных по пластинке, может пригодиться в биологических и медицинских исследованиях, в сборке микросистем и тканей. Важно, что этот метод одинаково хорошо работает для тяжелых и легких частиц, не ограничивается фиксированным набором частот, гибок и очень прост (для него необходим всего один актуатор). Большинство методов манипуляции частицами такими достоинствами не обладают.
В январе 2017 года физики из Кембриджского Университета использовали вибрации пластины, чтобы создать аналог оптической частотной гребенки — особого типа излучения, спектр которого состоит из большого числа отдельных равноудаленных линий. Правильно подбирая частоту излучения, ученые увидели, что реакция пластины в местах с наибольшей амплитудой движения имеет форму частотной гребенки — например, при входной частоте 3,862 мегагерц в спектре вибрации возникало несколько пиков, отстоящих на 2,6 килогерца. Стоит отметить, что открытие физики сделали случайно, хотя подобные устройства на тот момент уже были предсказаны.
Дмитрий Трунин
Это первый легкий металл, в котором его удалось обнаружить
Физики впервые зафиксировали орбитальный эффект Холла в легком металле. Для этого они измерили угол изменения направления света при прохождении через титан, который использовали в качестве образца из-за высокой проводимости. Открытие поможет уточнить механизм поведения металлов в магнитном поле, сообщают ученые в Nature. Если проводник с током находится во внешнем магнитном поле, то кроме классического эффекта Холла (возникновение разности потенциалов при протекании тока, перпендикулярного полю) в нем можно увидеть еще две разновидности этого явления: спиновый и орбитальный эффекты Холла. В первом случае из-за разницы в электронной проводимости электронов образуется поток спина: электроны с антипараллельными спинами отклоняются к противоположным сторонам проводника. А во втором — поток орбитального момента: он возникает благодаря действию на электроны силы Лоренца и направлен перпендикулярно току. Ранее считалось, что именно спиновый эффект преобладает в твердых телах с ненулевым значением спин-орбитального взаимодействия. При этом орбитальный эффект не требует спин-орбитального взаимодействия и потому более распространен: для легких металлов (металлы с небольшой плотностью, например алюминий, олово, титан и другие) орбитальная холловская даже превышает спиновую. Однако орбитальный эффект влияет на магнитные свойства металла только косвенно, причем изменения эти настолько малы, что зафиксировать их не удается. Чтобы преодолеть эти ограничения и разглядеть орбитальный эффект Холла в легком металле, физики из Южной Кореи под руководством Хён У Ли (Hyun-Woo Lee) предложили измерять его косвенно — по углу керровского поворота, который характеризует угол наклона плоскости поляризации света при прохождении через материал. Орбитальные токи Холла меняют показатель преломления материала, и, следовательно, угол керровского поворота. В качестве объекта исследования был выбран легкий металл титан — благодаря большой орбитальной кривизне Берри у него текстурированная структура поверхностей Ферми, что, согласно расчетам, должно приводить к очень высокой орбитальной холловской проводимости. С помощью оптической спектроскопии ученым удалось уловить эти изменения — на основании данных спектроскопии они построили график зависимости угла керровского поворота от плотности тока в титане. Зависимость оказалось линейной: чем больше модуль плотности тока, тем больше изменение угла, что подтвердило наличие орбитального эффекта Холла. Его величину ученые определяли по значению эффективной орбитальной холловской проводимости. Оно составило 130h/e обратных ом, это почти в 30 раз меньше расчетной. Причины несоответствия установить не удалось, но ученые собираются провести дополнительные исследования. Несмотря на расхождение с теорией, полученные результаты не только подтвердили наличие орбитального эффекта, но и показали, что именно из-за него в легких металлах возникает и спиновый эффект Холла. То есть чтобы предсказать поведение металлов в магнитном поле, учитывать этот эффект обязательно. У эффекта Холла существует несколько различных механизмов, и каждый из них тщательно исследуется учеными. Например, физики уже изучили, как вакуумные флуктуации нарушили механизм квантового эффекта Холла и придали ультрахолодным атомам дробное квантовое состояние Холла.