De perfecte overdracht van geluid door een barrière is moeilijk te bereiken, zo niet onmogelijk op basis van onze bestaande kennis. Dit geldt ook voor andere energievormen zoals licht en warmte.

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Xiang Zhang, President van de Universiteit van Hong Kong (HKU) toen hij professor was aan de Universiteit van Californië, Berkeley, (UC Berkeley) heeft voor het eerst experimenteel een eeuwenoude kwantumtheorie bewezen dat relativistische deeltjes een barrière kunnen passeren met 100% transmissie. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke toptijdschrift Wetenschap .

Net zoals het voor ons moeilijk zou zijn om over een dikke hoge muur te springen zonder voldoende energie te verzamelen. In tegenstelling tot, er wordt voorspeld dat een microscopisch deeltje in de kwantumwereld een barrière kan passeren die ver voorbij zijn energie gaat, ongeacht de hoogte of breedte van de barrière, alsof het "transparant" is.

Al in 1929, theoretisch fysicus Oscar Klein stelde voor dat een relativistisch deeltje een potentiële barrière kan doordringen met 100% transmissie bij normale inval op de barrière. Wetenschappers noemden dit exotische en contra-intuïtieve fenomeen de 'Klein-tunneling'-theorie. In de volgende 100 oneven jaren, wetenschappers probeerden verschillende benaderingen om Klein tunneling experimenteel te testen, maar de pogingen waren niet succesvol en direct experimenteel bewijs ontbreekt nog steeds.

Het team van professor Zhang voerde het experiment uit in kunstmatig ontworpen fononische kristallen met driehoekig rooster. De lineaire dispersie-eigenschappen van het rooster maken het mogelijk om het relativistische Dirac quasi-deeltje na te bootsen door geluidsexcitatie, wat leidde tot de succesvolle experimentele observatie van Klein tunneling.

"Dit is een opwindende ontdekking. Kwantumfysici hebben altijd geprobeerd om Klein-tunneling waar te nemen in experimenten met elementaire deeltjes, maar het is een zeer moeilijke taak. We ontwierpen een foonisch kristal vergelijkbaar met grafeen dat de relativistische quasideeltjes kan opwekken, maar in tegenstelling tot natuurlijk materiaal van grafeen, de geometrie van het kunstmatige phononic-kristal kan vrij worden aangepast om precies de ideale omstandigheden te bereiken die het mogelijk maakten om de eerste directe observatie van Klein-tunneling, " zei professor Zhang.

De prestatie betekent niet alleen een doorbraak in de fundamentele fysica, maar presenteert ook een nieuw platform voor het verkennen van opkomende macroschaalsystemen die kunnen worden gebruikt in toepassingen zoals on-chip logische apparaten voor geluidsmanipulatie, akoestische signaalverwerking, en verantwoorde energiewinning.

"In de huidige akoestische communicatie, het transmissieverlies van akoestische energie op de interface is onvermijdelijk. Als de transmissie op de interface kan worden verhoogd tot bijna 100%, de efficiëntie van akoestische communicatie kan sterk worden verbeterd, waardoor geavanceerde toepassingen worden geopend. Dit is vooral belangrijk wanneer het oppervlak of de interface een rol spelen bij het belemmeren van de nauwkeurigheid van akoestische detectie, zoals bij onderwaterexploratie. De experimentele meting is ook bevorderlijk voor de toekomstige ontwikkeling van het bestuderen van quasideeltjes met topologische eigenschappen in fononische kristallen die misschien moeilijk uit te voeren zijn in andere systemen, " zei Dr. Xue Jiang, een voormalig lid van het team van Zhang en momenteel een Associate Researcher bij de afdeling Electronic Engineering aan de Fudan University.

Dr. Jiang wees erop dat de onderzoeksresultaten ook de biomedische apparaten ten goede kunnen komen. Het kan helpen om de nauwkeurigheid van ultrasone penetratie door obstakels te verbeteren en aangewezen doelen zoals weefsels of organen te bereiken, die de ultrasone klankprecisie voor betere diagnose en behandeling zou kunnen verbeteren.

Op basis van de huidige experimenten, onderzoekers kunnen de massa en dispersie van het quasideeltje regelen door de fononische kristallen met verschillende frequenties te exciteren, waardoor een flexibele experimentele configuratie en aan / uit-regeling van Klein-tunneling wordt bereikt. Deze benadering kan worden uitgebreid tot andere kunstmatige structuren voor de studie van optica en thermotica. Het maakt de ongeëvenaarde controle van quasideeltjes of golffronten mogelijk, en draagt ​​bij aan de verkenning van andere complexe kwantumfysische verschijnselen.