Знаменитый эксперимент с двумя щелями впервые провели со звуком

Экспериментальная установка в оптической лаборатории с полупроводниковым кристаллом, содержащим двойные щели, в центре. Автор: Лейденский университет

Знаменитый световой эксперимент 1801 года впервые провели со звуком. Исследование физиков из Лейдена позволило получить новые данные, которые могут быть применены в устройствах 5G и развивающейся области квантовой акустики. Исследование опубликовано в журнале Optics Letters.

Аспирант Томас Стинберген сообщает: «Мы увидели, что звуковые волны в материалах ведут себя так же, как свет, но с некоторыми отличиями. С помощью математической модели мы теперь можем объяснить и предсказать это поведение».

Знаменитый эксперимент Томаса Юнга с двумя щелями

Эксперимент Юнга с двумя щелями впервые показал, что свет иногда ведёт себя как частица, а иногда — как волна. В эксперименте свет направляли через два узких отверстия. Позади щелей световые волны либо усиливались, либо гасили друг друга из-за интерференции, создавая узор из светлых и тёмных полос — интерференционную картину.

Позже тот же эксперимент провели с частицами, показав, что все частицы могут проявлять как корпускулярные, так и волновые свойства. Со временем эксперимент с двумя щелями проводили с различными квантовыми объектами — от электронов и нейтронов до фуллеренов, молекул, состоящих из 60 атомов углерода.

Теперь со звуком вместо света

Стинберген и его коллега Лёффлер хотели точно понять, как звук ведёт себя в мельчайших масштабах. Эксперимент с двумя щелями даёт здесь ценную информацию. В своей экспериментальной установке Стинберген развил исследовательский проект, начатый студентом-физиком Кристианом Черняком.

В эксперименте исследователи использовали звуковые волны гигагерцового диапазона, колеблющиеся миллиард раз в секунду — far за пределами слышимого человеком диапазона.

Результаты измерений с увеличением области вокруг двух щелей слева. Чётко видна интерференционная картина. Автор: Лейденский университет

Эксперимент

Звуковые волны направляли на небольшой кусочек материала — полупроводник арсенид галлия, часто используемый в электронных устройствах. Коллега Маттейс Рог из исследовательской группы Кавеха Лахаби выгравировал два крошечных углубления (щели) в этом материале с помощью ионного луча.

Стинберген поясняет: «Затем мы измеряем звук с помощью чрезвычайно точного оптического сканера. Это устройство может измерять звук буквально везде, включая внутри и перед щелями. Мы можем измерить высоту звуковых волн с точностью до пикометра — это одна миллионная микрона».

Сходства — и различия

Так же, как в экспериментах с двумя щелями со светом, позади возникает интерференционная картина: можно чётко увидеть, где звук усиливается, а где гасится.

Стинберген добавляет: «Но если присмотреться, можно также заметить, что картина не полностью симметрична. Звуковые волны распространяются не одинаково во всех направлениях. Скорость волн зависит от угла, под которым они проходят через материал». Разработав математическую модель, команда смогла объяснить эти различия и точно их предсказать.

Старый эксперимент открывает новые двери

Звуковые волны гигагерцового диапазона широко используются в телекоммуникациях, особенно в устройствах 5G, таких как мобильные телефоны. Это исследование даёт новые знания, которые могут быть применены в этих технологиях, а также в других микроэлектронных устройствах и датчиках, использующих звук.

Оно также предоставляет информацию для развивающейся области квантовой акустики, где звуковые волны в мельчайших (квантовых) масштабах используются для передачи информации. Таким образом, эксперимент, проведённый столетия назад, снова открывает новые горизонты.

Больше информации: Thomas Steenbergen et al, Young's double-slit experiment with anisotropic GHz surface acoustic waves on gallium arsenide, Optics Letters (2025). DOI: 10.1364/ol.573360

Источник: Лейденский университет