Японцы спроектировали шапку-неслышимку из свинцовых и резиновых стержней
Японские физики спроектировали всенаправленную шапку-неслышимку для цилиндрического объекта в воздухе. Она представляет собой несколько слоев свинцовых стержней, покрытых оболочкой из силиконовой резины. Симуляции показали, что такая структура более чем в 13 раз снижает рассеяние объектом звука за счет локальных резонансов в стержнях, хотя вязкость материалов может снизить эффект. Исследование опубликовано в Scientific Reports.
Невидимость — это способность, которую часто можно встретить в научной фантастике или фэнтези, однако она долгое время остается объектом научного интереса со стороны физиков. В узком смысле невидимость понимается, как свойство объекта оставаться скрытым для человеческого зрения. В широком же смысле ее определение может относиться к произвольному электромагнитному диапазону (например, самолеты-невидимки малозаметны в радиодиапазоне), и даже к звуку.
Существует несколько принципов, на основе которых физики пытаются реализовать невидимость. Один из них основан на огибании волнами препятствий с помощью метаматериалов с отрицательным показателем преломления (подробнее об этом читайте в материале «Анатомия шапки-невидимки»). Другой способ опирается на подавление рассеяния объектом, поскольку мы видим что-то только тогда, когда оно отражает или рассеивает падающий на него свет. Точно также работает эхолокация, помогающая ориентироваться в пространстве животным, роботам и даже человеку.
Чтобы создать акустическую невидимость или неслышимость, целесообразнее проектировать геометрию камуфляжного слоя, нежели использовать материалы с экстремальными звукопроводящими свойствами. Таким способом удалось недавно создать шапку-неслышимку на основе осесимметричных цилиндрических решеток с оптимизированными радиусами и положениями, прячущую объект со всех сторон эхолокации. Эффект возникал благодаря брэгговскому подавлению рассеяния, что, однако, требовало, чтобы размер камуфляжа был существенно больше длины волны.
Группа физиков из Токийского университета под руководством Такаюки Ямада (Takayuki Yamada) решила исправить этот недостаток, спроектировав акустический камуфляж с использованием резонансов, возникающих в его отдельных элементах. В своей работе они решали двумерную задачу по сокрытию жесткого цилиндрического объекта некоторого радиуса, расположенного в воздухе. Чтобы сделать его неслышимым, физики предложили окружать его четырьмя слоями двухкомпонентных стержней по 14, 20, 28 и 34 штуки, соответственно (всего 96 стержней). Стержни представляли собой свинцовые жилы с оболочкой из силиконовой резины. Положения их центров были фиксированы, а радиусы жил и оболочек для каждого из защитных слоев (всего восемь параметров) стали объектом объектами оптимизации при минимизации сечения рассеяния монохроматического звука.
Для этого авторы моделировали прохождение плоских волн через структуру под различными углами, решая уравнения Гельмгольца совместно с уравнениями Навье в рамках метода многократного рассеяния. Проводить нелинейную оптимизацию с линейными ограничениями (стержни не должны пересекаться) им помог программный пакет NLopt, при этом задача решалась в безразмерном виде, где масштабным параметром выступал радиус скрываемого объекта. В результате им удалось подавить рассеяние более чем в 13 раз для любого направления звука на резонансной частоте.
Такой результат означает, что объект останется неслышимым даже для монохроматического звука с произвольным волновым фронтом, если его можно разложить по плоским волнам. Для иллюстрации этого физики смоделировали, как будет распространяться и рассеиваться звук, испущенный точечным источником вблизи замаскированного объекта. Симуляции подтвердили камуфляжные свойства стержневых оболочек и показали, что звуковое поле сильно локализуется и усиливается на них за счет локальных резонансов.
Физики также исследовали влияние вязкости на маскировку. Так, в ее отсутствии, спектр рассеяния структуры обладал узким провалом на резонансной частоте. Введение же небольшой диссипации в силиконовой резине смещало оптимизационные параметры, а сам провал становился шире и менее выраженным. Тем не менее при небольшой вязкости структура сохраняла свои маскирующие свойства.
Шапка-неслышимка очень полезна для животных, на которых охотятся с помощью эхолокации. В природе пассивная акустическая маскировка возникает как результат оптимизации за счет эволюционного отбора, длящегося миллионы лет. Такую неслышимость обеспечивают крылья ночной бабочки Bunaea Alcinoe, которая спасается от летучих мышей.
Марат Хамадеев
Эффективное магнитное поле достигло практически 1 тесла
Физики намагнитили парамагнитный кристалл фторида церия на 39 пикосекунд с помощью импульсов терагерцового излучения с круговой поляризацией. Фотоны с такой поляризацией возбуждают в кристаллической структуре хиральные фононы, обладающие орбитальным магнитным моментом, который в свою очередь поляризует магнитный момент ионов церия так же, как и магнитное поле с напряженностью в один тесла. Исследование опубликовано в журнале Science. Фононы — квазичастицы, описывающие согласованные колебания атомов в кристаллической решетке. Взаимодействие фононов описывает многие явления в физике твердого тела — процессы теплопроводности, сверхпроводимости в рамках теории БКШ и рассеяния частиц. Они взаимодействуют и с другими квазичастицами в твердом теле, например, с магнонами: их взаимодействие наблюдали в пленке лютеций-железного граната, а также во фториде кобальта, однако в последнем варианте фононы пришлось генерировать с помощью терагерцового излучения. Фононы могут переносить не только тепловые колебания — в некоторых материалах возможна генерация хиральных фононов, которые обладают орбитальным магнитным моментом, благодаря отклонению атомов от равновесного положения и сонаправленному вращению вдоль эллиптической траектории с ненулевым орбитальным моментом. Поиск материалов с такими свойствами и изучение взаимодействия хиральных фононов помогут для реализации устройств на базе спинтроники или сверхбыстрого магнетизма. Хиральные фононы уже были обнаружены в двумерном диселениде вольфрама, а также в кристаллах киновари с правой закруткой. Проявление хиральных фононов во фториде церия CeF3 обнаружила группа американских ученых под руководством профессора Ханьюй Чжу (Hanyu Zhu) из Университета Райса. Чтобы обнаружить их взаимодействие с магнитным моментом ионов церия, авторы подвергали материал воздействию излучения частотой около 10,5 терагерц и исследовали поляризацию парамагнитных моментов церия с помощью измерения магнитооптических эффектов Керра и Фарадея. Фторид церия CeF3 был выбран не случайно — в его фононном спектре при отсутствии магнитного поля наблюдаются два дважды вырожденных уровня Eg и Eu, которые с увеличением магнитного поля расходятся по энергии по мере поляризации магнитного момента за счет эффекта Зеемана со скоростью три обратных сантиметра на тесла. Это значение расщепления уровней соответствует более чем 7 магнетонам Бора при температуре 1,9 кельвин, что превышает максимальное значение магнитного момента иона церия (III) — 2,5 магнетона Бора. Такая большая разница отметает объяснение данного механизма через гибридизацию фононных и уровней кристаллического поля ионов церия. В поставленном эксперименте кристалл фторида церия вдоль направления кристаллографической оси c в течение 0,5 пикосекунды подвергался излучению с частотой в 10,5 терагерц — при данной частоте фторид анионы в плоскости ионов церия испытывают наибольшее отклонение от равновесного состояния, тогда как остальные ионы фтора практически не изменяют своих позиций в процессе накачки. Хиральные фононы находились в резонансе с фотонами с круговой поляризацией, полученными в нелинейных органических кристаллах тозилата 4-N,N-диметилами-4′-N′-метил-стилбазолия (DAST). Чтобы убедиться, что именно хиральные фононы являются источником наблюдаемой намагниченности, исследователи провели измерение генерации второй гармоники, индуцированной терагерцовым электрическим полем. С понижением температуры время жизни когерентных фононов увеличивается, что позволило вычленить чистый вклад смещения атомов по отношению генерации второй гармоники между 10 кельвин и 250 кельвин. Более того, максимальная намагниченность образца и показатель спиральности второй гармоники изменяются одинаковым образом — а потому наблюдаемая намагниченность пропорциональна орбитальному моменту фонона. Также, варьируя мощность потока терагерцового излучения, а значит и количество хиральных фононов, физикам удалось увеличить эффективное магнитное поле до 0,93 тесла при мощности в 0,44 миллиджоуля на сантиметр квадратный, что значительно превышает предыдущие эксперименты, в которых магнитное поле было порядка миллитесла. По заверениям авторов линейный тренд зависимости эффективного магнитного поля от мощности терагерцового излучения может достичь поля в 50 тесла при использовании мощности более 10 миллиджоулей на сантиметр квадратный. Намагнитить поляризованным светом можно не только парамагнитные кристаллы, но и любые атомы с ридберговским состояниями — например, атомы гелия.
