Исследователи из Южной Кореи впервые в мире показали на практике удивительное свойство волн: они могут менять свою частоту — становиться выше или ниже — в зависимости от того, с какой стороны пришли. Как у древнеримского бога Януса, смотрящего одновременно в прошлое и будущее, эта система имеет два «лица» и по-разному реагирует на направление движения волны. Это открытие прокладывает путь для новых технологий — от медицинского ультразвука до продвинутых методов борьбы с шумом.

Объединенная команда ученых под руководством профессора Чунсук Ро из POSTECH и профессора Ынхо Ким из Национального университета Чонбук экспериментально доказала существование двустороннего асимметричного преобразования частоты в системе гранулированных фононных кристаллов.

Результаты их работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Многие современные технологии основаны на смене частоты. Например, зеленые лазерные указки превращают невидимый инфракрасный свет в видимый зеленый, а направленные колонки преобразуют ультразвук в слышимый звук. В основе этих процессов лежат нелинейные эффекты, когда реакция системы на воздействие не является прямой и простой. Но обычно для такой смены частоты нужны сложные конструкции, строго заданное направление волны или дополнительные внешние модуляторы.

Чтобы обойти эти ограничения, команда создала особую структуру — гранулированный фононный кристалл. Она состоит из соединенных цилиндрических элементов, жесткость которых меняется от точки к точке. Именно это позволяет системе совершенно по-разному реагировать на волны, приходящие слева или справа.

Слабые волны такая структура в основном блокирует. Но если волна мощная, происходит нечто удивительное: асимметричное преобразование частоты. Волны, входящие с одной стороны, повышают свою частоту, и звук становится тоньше и выше. Волны, приходящие с противоположной стороны, наоборот, понижают частоту, и звук становится глубже и ниже. Это похоже на дверной проем, который издает разные звуки в зависимости от того, заходите вы в дом или выходите из него.

Главное достижение ученых в том, что им удалось объединить три ключевых элемента: нелинейные эффекты, пространственную асимметрию и локальный резонанс — явление, при котором колебания сильно усиливаются в определенных частях структуры. Благодаря этому они впервые в мире добились одновременного двустороннего преобразования частоты в одной-единственной системе в ходе реального физического эксперимента.

Эта технология обещает найти применение в самых разных сферах. Вот лишь несколько примеров:

• Можно будет выборочно гасить вибрации от строительной техники или даже землетрясений.
• Увеличить четкость и разрешение медицинских ультразвуковых снимков.
• Создать акустические устройства, которые улавливают неслышимые звуки с определенного направления.

Кроме того, это открывает новые горизонты для аналоговой обработки сигналов и технологий преобразования частоты следующего поколения.

То, что раньше существовало лишь в теории, теперь подтверждено экспериментом, — говорят профессора Ро и Ким. — Эта технология может получить широкое распространение в системах обработки сигналов и преобразования частоты нового поколения.

Этот прорыв — не столько в фундаментальном понимании, сколько в инженерной реализации. Сама идея нелинейного и асимметричного отклика не нова, но создать простую и эффективную структуру, которая делает это одновременно для двух направлений, — это огромный шаг.

Реальная польза проистекает именно из этой «двуликости». Представьте себе „умный“ звуковой барьер вдоль шоссе, который не просто глушит шум, а преобразует его: для жителей домов за ним раздражающий грохот грузовиков превращается в более низкий и менее заметный гул, а для водителей — наоборот, в менее мешающий высокочастотный звук. В медицине это может привести к созданию ультразвуковых зондов с двумя режимами работы в одном: при поднесении под одним углом он будет лучше визуализировать мягкие ткани, а под другим — кальцинированные сосуды, без смены датчика. Это экономия времени, денег и повышение диагностической точности.

Основное замечание, которое стоит сделать, касается масштабируемости и эффективности преобразования. В статье не указано, каков КПД этого процесса — какая часть энергии исходной волны преобразуется в волну новой частоты, а какая рассеивается в виде тепла или отражается. Для реальных применений, особенно в энергоемких задачах вроде шумоподавления или в чувствительной медицинской аппаратуре, этот параметр критически важен. Вполне возможно, что на данном этапе эффект наблюдается при очень специфических условиях (мощность, частота, температурный режим), что может сильно ограничивать его практическое применение в ближайшей перспективе. Следующим логичным шагом будет как раз исследование этих практических ограничений и поиск путей увеличения эффективности.

Ранее ученые создали идеальный волновод для звука.