Физики из Нидерландов и США придумали акустический эксперимент, наглядно демонстрирующий как меняются фундаментальные свойства атомов в резонаторах. Предложенный опыт с китайским гонгом по концепции повторяет эксперимент Карла Дрексхаге — изменение времени жизни возбужденных состояний атомов вблизи зеркала. Это явление относится к первым экспериментам в области квантовой электродинамики в резонаторах. Эксперимент описан в статье в Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

В классическом эксперименте 1968 года Карл Дрексхаге помещал очень тонкий слой флуоресцентного комплекса европия рядом с зеркальным слоем серебра, золота или алюминия. Расстояния между красителем и зеркалом были строго определены и колебались от единиц до сотен нанометров. Физик облучал комплекс ультрафиолетовым излучением, после чего следил за тем, как быстро затухает его красное свечение. 

Изменение времени жизни флуоресценции в зависимости от расстояния между зеркалом и красителем. Drexhage / Berichte der Bunsengesellschaft für physikalische Chemie, 1968

Оказалось, что время затухания свечения зависело от расстояния между зеркалом и флуоресцентным красителем. К тому же оно изменялось периодически — увеличиваясь и уменьшаясь. Это явление объясняется интерференцией между излучением, испускаемым красителями и отраженным излучением от зеркала.

В следующих экспериментах другие группы ученых добавили к установке второе зеркало, получив резонатор, и показали, что в нем можно настраивать и изучать квантовые состояния одиночных частиц. За это в 2012 году Сержу Арошу и Дэвиду Вайнленду дали Нобелевскую премию по физике. 

В новой работе ученые нашли способ построить аналогичный по концепции акустический эксперимент. В роли возбужденного атома физики использовали китайский гонг сhao. Он представляет собой круглую латунную пластину с загнутыми краями. Гонг помещали рядом с бетонной стеной на различных расстояниях и изучали то, как менялись спектральные характеристики звука и его продолжительность. 

Характеристики затухания звука на резонансной частоте (сверху) и смещения резонансной частоты (снизу) в зависимости от расстояния до стены. Lutz Langguth et al. / Phys. Rev. Lett., 2016

Физики обнаружили, что с изменением расстояния между стеной и гонгом продолжительность звучания менялась — возрастая и убывая, как и в эксперименте Дрексхаге. Кроме того, ученые обнаружили, что при расстоянии до стены в 20 сантиметров резонансы колебаний пластинки сместились на 0,1 герца. Вероятно, это произошло из-за деформации гонга отраженными звуковыми волнами.

Кроме того, авторам удалось извлечь информацию об эффективности преобразования механической энергии колебаний гонга в звук. Это прямая аналогия исследованию квантового выхода флуоресценции в резонансных экспериментах.

Физики надеются, что эксперимент с гонгом может стать наглядной аналогией оптическим экспериментам с флуоресцентными красителями. Вместе с тем, сам акустический эффект может послужить хорошим тестом для проверки добротности гонгов и наличия в них дефектов.

Автор: Владимир Королёв