Звуковые волны смешиваются как краски экспресс
На кухне, когда в одной кастрюле смешиваются два бульона, вкус получается новым, не похожим ни на один из исходных. Похожий фокус возможен со звуком: две волны, встречаясь на поверхности кристалла, рождают третью, с частотой, которой не было ни у одной из них. Это называется четырёхволновым смешением, и в новой работе его изучили на крошечной плёнке толщиной в пятьсот нанометров — в сотни раз тоньше человеческого волоса.
Плёнка из нитрида алюминия-скандия лежит на подложке из карбида кремния. По ней пускают звуковые волны двух типов: волны Рэлея, которые бегут по самой поверхности, и волны Сизавы, которые ныряют чуть глубже. Обе — как рябь на воде, только частота у них гигагерцевая, то есть миллиарды колебаний в секунду. Учёные заставили две волны смешиваться и измерили, насколько сильно рождается новая частота. Оказалось, что при температуре жидкого гелия, около минус 269 градусов, эффект усиливается по сравнению с комнатной температурой. А волны Рэлея смешивают частоты примерно в сто раз сильнее, чем волны Сизавы, при любой температуре.
Почему так? Всё дело в том, где сосредоточена энергия волны. Волна Рэлея прижимается к самой поверхности, где плёнка тоньше и легче деформируется, — как натянутая резинка, которую легче дёрнуть. Волна Сизавы распределяется по толще плёнки, и её энергия размазана, поэтому смешивание слабее. Холод помогает обоим типам: при низкой температуре атомы меньше дрожат, и звук меньше теряется по дороге.
Эта работа — шаг к устройствам, где звук заменит электричество для обработки сигналов. Такие устройства могли бы быть компактнее и меньше греться. А ещё звуковые волны могут работать в квантовых системах, где важна точность. Плёнка из нитрида алюминия-скандия на карбиде кремния показала себя удобной площадкой: на ней можно сравнивать разные типы волн и подбирать лучший для каждой задачи. Как на кухне: сначала пробуют бульоны по отдельности, потом смешивают — и получают новый вкус.
Звуковые волны на поверхности кристалла можно увидеть: если посыпать поверхность мелким порошком, он соберётся в узоры там, где волна колеблется сильнее всего.