Синтетическое калибровочное поле вынудило звук преломляться отрицательно

Физики экспериментально продемонстрировали отрицательное преломление звуковых волн в акустических метаматериалах, вызванное возникновением синтетического калибровочного поля. Они показали, что на основе этого эффекта можно создать одностороннее зеркало и волновод. Исследование опубликовано в Science Advances.

Очень часто принципы и эффекты, которые возникают в релятивистской квантовой теории поля, находят свои аналоги в твердом теле. Так, большую пользу для физики принесла идея квантования колебаний кристаллической решетке по аналогии с квантованием полей в вакууме. Введенные таким путем квазичастицы — фононы — стали удобным и наглядным инструментом, без которого невозможно представить современную физику твердого тела. Другим примером может служить наблюдение разнообразных релятивистских эффектов с помощью квазичастиц, чья связь энергия-импульс по форме очень похожа на таковую у высокоэнергетических частиц.

Продолжая поиск идей, которые можно было бы наглядно наблюдать в новых материалах, ученые не так давно предложили концепцию синтетических калибровочных полей. Этот термин отсылает к калибровочной инвариантности, то есть, независимости физической теории от глобальных преобразований полей при смене базиса. Чтобы обеспечить эту инвариантность, когда возникают локальные калибровочные преобразования, физики вводят отдельные компенсирующие поля, тоже называемые калибровочными. Такой подход позволил естественным способом ввести в теорию взаимодействие через обмен полями-переносчиками, и, в конечном итоге, объединить всех их кроме гравитации в рамках Стандартной модели.

Оказалось, что похожий принцип реализуется в твердых телах, когда они подвергаются некоторым модуляциям. В этом случае влияние этих модуляций на поведение частиц в материале можно описать так, будто бы на них действуют некие поля, названные синтетическими. Эта идея уже была экспериментально реализована для модуляции в пространстве и во времени. Оказалось, что из-за деформации синтетическими полями дисперсионных соотношений для волн, в таких средах можно было бы наблюдать новый тип отрицательной рефракции, которая традиционно ассоциируется с метаматериалами. Однако до недавнего времени эта идея оставалась лишь теоретической концепцией.

Группа физиков из Китая и Сингапура под руководством Идун Чун (Yidong Chong) и Байлэ Чжан (Baile Zhang) из Наньянского технологического университета впервые экспериментально продемонстрировала отрицательную рефракцию звука, вызванную возникновением синтетических калибровочных полей в акустическом метаматериале. Они показали, что таким образом можно реализовать волновод, проводящий звук в режиме противоположного направления фазовой и групповой скорости.

При обычном преломлении волн на границе двух сред, падающая и преломленная волны распространяются по разные стороны нормали к поверхности. Однако возможна обратная ситуация, которая соответствует отрицательной рефракции. Для этого дисперсионные свойства второй среды должны обладать некоторыми особенностями, которые в сочетании с условием непрерывности тангенциальной компоненты волнового вектора на границе обеспечивают необычное преломление. Все вместе это вынуждает волну распространяться во второй среде в направлении, которое не совпадает с направлением ее фазовой скорости.

Существует несколько схем искажения дисперсионных соотношений с помощью субволнового структурирования среды. Авторы остановили свой выбор на синтетическом калибровочном поле, которое смещают начало координат дисперсионной кривой во второй среде, причем тем сильнее, чем больше величина этого поля. В результате, начиная с некоторого порогового значения, отрицательное преломление становится единственно возможным в таком интерфейсе.

Чтобы создать калибровочное поле физики изготовили двухслойный скрученный акустический метаматериал. Каждый из его слоев представляет собой периодический массив из твердых пластин толщиной 3 миллиметра с интервалом 4,1 миллиметра. Закручивание второго слоя относительно первого наводит в нем муаровую модуляцию свойств, которые могут быть выражены через синтетическое поле, чья амплитуда зависит от угла закрутки и проекции волнового вектора на ось z, перпендикулярную слоям первого слоя.

Авторы заводили в такой двуслойный материал звуковые волны частотой несколько килогерц, соответствующие различным проекциям на ось z, и наблюдали получающийся при этом характер рефракции. Результаты эксперимента показали, что для некоторых проекций преломление действительно происходит в отрицательный режим, согласно простой аналитической зависимости. Физики дополнили их численными симуляциями, которые продемонстрировали полное согласие с опытом.

Исследователи обратили также внимание на то, что синтетические калибровочные поля нарушают симметрию относительно обращения времени. Другими словами, в таких средах излучение, посланное обратно по той же траектории, может прийти в другое место. Авторы убедились в этом экспериментально, продемонстрировав акустическое односторонне зеркало. Они использовали это свойство интерфейса, чтобы изготовить трехслойный волновод. Изучая его модовый состав, физики показали, что в нем можно добиться распространения звука в режиме противоположных направлений фазовой и групповой скорости.

Нарушение Т-симметрии играет важную роль при создании черновских топологических изоляторов. Мы уже рассказывали, как физики изготовили такой изолятор для акустических волн.

Марат Хамадеев