Montage expérimental :les cristaux phononiques artificiels sont conçus et fabriqués par l'équipe de recherche. Le son émis par le réseau de haut-parleurs se propage normalement par la droite et excite la quasiparticule relativiste à l'intérieur des cristaux phononiques. Un mini microphone est attaché à un moteur de mouvement 3D pour balayer le champ de pression. Crédit :L'Université de Hong Kong
La transmission parfaite du son à travers une barrière est difficile à réaliser, sinon impossible sur la base de nos connaissances existantes. Cela est également vrai avec d'autres formes d'énergie telles que la lumière et la chaleur.
Une équipe de recherche dirigée par le professeur Xiang Zhang, Président de l'Université de Hong Kong (HKU) lorsqu'il était professeur à l'Université de Californie, Berkeley, (UC Berkeley) a pour la première fois prouvé expérimentalement une théorie quantique centenaire selon laquelle les particules relativistes peuvent traverser une barrière avec une transmission de 100 %. Les résultats de la recherche ont été publiés dans la meilleure revue académique Science .
Tout comme il nous serait difficile de sauter par-dessus un haut mur épais sans suffisamment d'énergie accumulée. En revanche, il est prédit qu'une particule microscopique dans le monde quantique peut traverser une barrière bien au-delà de son énergie quelle que soit la hauteur ou la largeur de la barrière, comme si c'était "transparent".
Dès 1929, le physicien théoricien Oscar Klein a proposé qu'une particule relativiste puisse pénétrer une barrière potentielle avec une transmission de 100 % lors d'une incidence normale sur la barrière. Les scientifiques ont appelé ce phénomène exotique et contre-intuitif la théorie du « tunnel de Klein ». Dans les 100 années impaires suivantes, les scientifiques ont essayé diverses approches pour tester expérimentalement le tunnel de Klein, mais les tentatives ont été infructueuses et les preuves expérimentales directes font toujours défaut.
L'équipe du professeur Zhang a mené l'expérience dans des cristaux phononiques conçus artificiellement avec un réseau triangulaire. Les propriétés de dispersion linéaire du réseau permettent de mimer la quasiparticule relativiste de Dirac par excitation sonore, qui a conduit à l'observation expérimentale réussie du tunnel de Klein.
Les cristaux phononiques sont fabriqués en plaçant artificiellement les poteaux acryliques dans le motif spécial. Crédit :L'Université de Hong Kong
"C'est une découverte passionnante. Les physiciens quantiques ont toujours essayé d'observer l'effet tunnel de Klein dans les expériences sur les particules élémentaires, mais c'est une tâche très difficile. Nous avons conçu un cristal phononique similaire au graphène qui peut exciter les quasiparticules relativistes, mais contrairement au matériau naturel du graphène, la géométrie du cristal phononique artificiel peut être ajustée librement pour atteindre avec précision les conditions idéales qui ont permis la première observation directe de l'effet tunnel de Klein, " a déclaré le professeur Zhang.
La réalisation représente non seulement une percée dans la physique fondamentale, mais présente également une nouvelle plate-forme pour explorer les systèmes macroscopiques émergents à utiliser dans des applications telles que les dispositifs logiques sur puce pour la manipulation du son, traitement du signal acoustique, et une bonne récupération d'énergie.
« Dans les communications acoustiques actuelles, la perte de transmission de l'énergie acoustique sur l'interface est inévitable. Si la transmittance sur l'interface peut être augmentée à près de 100 %, l'efficacité des communications acoustiques peut être grandement améliorée, ouvrant ainsi des applications de pointe. Ceci est particulièrement important lorsque la surface ou l'interface jouent un rôle en empêchant la détection acoustique de précision telle que l'exploration sous-marine. La mesure expérimentale est également propice au développement futur de l'étude des quasiparticules à propriété topologique dans les cristaux phononiques qui pourraient être difficiles à réaliser dans d'autres systèmes, " a déclaré le Dr Xue Jiang, un ancien membre de l'équipe de Zhang et actuellement chercheur associé au département de génie électronique de l'université de Fudan.
Le Dr Jiang a souligné que les résultats de la recherche pourraient également bénéficier aux dispositifs biomédicaux. Cela peut aider à améliorer la précision de la pénétration des ultrasons à travers les obstacles et à atteindre des cibles désignées telles que des tissus ou des organes, ce qui pourrait améliorer la précision de l'échographie pour un meilleur diagnostic et un meilleur traitement.
Sur la base des expériences en cours, les chercheurs peuvent contrôler la masse et la dispersion de la quasiparticule en excitant les cristaux phononiques avec différentes fréquences, réalisant ainsi une configuration expérimentale flexible et un contrôle marche/arrêt de l'effet tunnel de Klein. Cette approche peut être étendue à d'autres structures artificielles pour l'étude de l'optique et de la thermotique. Il permet le contrôle sans précédent de quasiparticule ou de front d'onde, et contribue à l'exploration d'autres phénomènes physiques quantiques complexes.
