Считалось невозможным: физики решили 100-летнюю загадку энергии, как это изменит технологии

Можно ли удерживать энергию бесконечно долго? Благодаря новому эксперименту, проведённому физиками, стало ясно: да, это возможно — с помощью так называемого связанного состояния в континууме.

Это поразительное достижение может стать основой для создания более эффективных устройств, которым не требуется постоянная подача энергии.

Исследование, подтверждающее реальность этого явления, опубликовано в журнале Physical Review Letters и описано изданием Interesting Engineering.

Идея удержания энергии в системе на первый взгляд противоречит нашему интуитивному пониманию. Почти век назад, в 1929 году, легендарные физики Джон фон Нейман и Юджин Вигнер предложили гипотетическое состояние, в котором волна остаётся “запертой” внутри системы, несмотря на то, что вокруг неё находится открытое пространство, куда она должна бы распространиться. Это поведение назвали связанным состоянием в континууме. Его можно представить как звук или свет, застрявшие в одном месте — не рассеиваются, не уходят наружу, хотя внешне ничто не мешает им это сделать.

Долгое время ученые считали, что такие состояния возможны лишь в теоретических моделях. Но недавний эксперимент показал обратное — физики сумели реализовать это явление в реальности. Они использовали механические волны и особую конструкцию из кварцевых стержней цилиндрической формы, которые выступали в роли резонаторов. Система была устроена так, чтобы можно было точно управлять тем, как эти стержни взаимодействуют друг с другом — то есть как именно механические волны переходят от одного к другому.

Оказалось, что при определённой конфигурации, волна полностью “запирается” в одном из стержней и не рассеивается. Энергия остаётся внутри системы — ни малейших потерь. Это поведение ученые идентифицировали как поляризационно-защищённое связанное состояние в континууме.

Далее исследователи пошли ещё дальше — они соединили несколько таких стержней в единую цепочку. В результате наблюдалось уникальное поведение: волна не только сохранялась, но и могла растягиваться вдоль всей цепи, не теряя энергии. Это явление известно как плоская полоса (flat band). С физической точки зрения, несмотря на наличие возможности движения, волна не распространяется — энергия остаётся строго локализованной в системе.

Когда обе волновые особенности — индивидуально связанные состояния и плоская полоса — объединяются, они формируют так называемую связанную полосу в континууме. Это уникальное состояние, при котором энергия может свободно перемещаться по системе, но не рассеивается. В отличие от обычной волны, которая теряет силу, проходя через среду, такая волна сохраняет свою энергию, даже находясь в движении.

Это открытие имеет колоссальное прикладное значение. Сегодня множество устройств — от микроволновых печей до смартфонов и смарт-часов — используют резонаторы, чтобы усиливать сигналы (например, звуковые или электромагнитные). Однако такие резонаторы имеют серьёзный недостаток: они теряют энергию и требуют постоянного питания, чтобы работать.

Новые же структуры, основанные на связанных состояниях в континууме, открывают перспективу создания резонаторов, которые сохраняют энергию без потерь. Это означает возможность разработки технологий, где устройства смогут работать значительно дольше, эффективнее, а возможно — и автономно, без постоянного подключения к источнику энергии.

Таким образом, то, что когда-то считалось чисто теоретическим парадоксом, теперь становится реальностью. Новое поколение энергоэффективных технологий может быть построено на этих принципах, что может изменить подход к проектированию многих устройств в будущем.

Источник: Interesting Engineering