声波的完全隧穿：物理学家演示声音穿越真空

声波隧穿效应

大家都知道，声波是一种机械波，它需要有一个物质介质来传播。如果没有介质，声波就无法存在，也无法传递能量。这就像我们在真空中无法听到声音一样。那么，如果两个物体之间有一个很小的真空间隙，声波能否从一个物体传到另一个物体呢？这看起来似乎是不可能的，因为声波在真空中会衰减到零。但是，有一种特殊的物质，叫做压电材料，它可以使这种看似不可能的事情变成可能。

压电材料是一种能够将机械应力转化为电场，或者将电场转化为机械形变的材料。当一个声波在一个压电材料中传播时，它会产生一个与之相伴的电场。这个电场并不局限于材料内部，而是会延伸到材料表面外部，并且随着距离的增加而指数衰减。这就像我们在电磁学中学过的那样，当一个平面电磁波在一个导体表面上反射时，它会产生一个表面电流和一个表面电荷密度。这些表面电荷会产生一个向外延伸的衰减电场。

如果我们把两个压电材料放得很近，使得它们之间的真空间隙小于声波的波长，那么从一个材料发出的声波所产生的衰减电场就有可能足够强，以至于能够影响到另一个材料的表面电荷，并且激发出另一个声波。这就相当于声波通过了真空间隙，实现了一种隧穿效应。这种效应并不依赖于任何量子力学的原理，而是纯粹由经典的机械和电磁理论所描述。

完全隧穿条件

那么，在什么条件下，声波可以完全地从一个压电材料传到另一个压电材料呢？换句话说，在什么条件下，从一个材料发出的声波能量等于进入另一个材料的声波能量呢？这就需要我们考虑两个压电材料之间的匹配问题。

首先，我们要注意到，并不是所有类型和方向的声波都能够在压电材料中产生显著的电场效应。只有那些与晶体对称性相适应，并且具有横向分量（即垂直于传播方向）的形变或应力的声波才能够有效地耦合到电场中。这些声波被称为压电活性声波。例如，在具有六方对称性（例如锌铁矿石）的压电材料中，只有沿着六角轴方向传播的横波才是压电活性的。因此，我们要想实现声波的隧穿效应，就必须选择合适的压电材料和声波的极化和传播方向。

其次，我们要注意到，并不是所有频率的声波都能够在两个压电材料之间实现完全隧穿。只有当两个材料的声波阻抗（即声波在材料中传播时所受到的阻力）相等或者相近时，才能够避免声波在界面上的反射，并且保证声波能量的最大传输。这就像我们在光学中学过的那样，当光从一个介质进入另一个介质时，如果两个介质的折射率相等或者相近，那么光就不会发生反射，而是完全地透射。因此，我们要想实现声波的完全隧穿，就必须选择合适的压电材料和声波的频率。

如果满足了这些条件，那么声波就可以从一个压电材料完全地传到另一个压电材料，而不会发生任何反射或衰减。这就是声波完全隧穿效应。

实验验证

那么，这种效应是否真的存在呢？有没有人做过实验来验证呢？答案是肯定的。在一篇新发表的论文中，作者就使用了两种不同类型的压电材料：锆钛酸铅（PZT）和锆钛酸锶（PST），它们都具有四方对称性。作者选择了沿着四方轴方向传播的横波作为压电活性声波，并且调节了声波的频率和两个材料之间的真空间隙，使得它们满足了完全隧穿条件。

作者使用了一个超声换能器来产生和接收声波，并且测量了声波在两个材料之间的透射系数（即进入另一个材料的声波能量与从一个材料发出的声波能量之比）。作者发现，在某些特定频率下，透射系数接近于 1，表明声波几乎完全地从一个材料传到另一个材料，而没有任何损失。这就是实验上观察到的声波完全隧穿效应。

应用前景

这种效应有什么用处呢？作者指出，这种效应可以用来制造一种新型的超声换能器，它可以在不同类型和形状的压电材料之间实现高效的声波传输，从而提高了换能器的灵敏度和灵活性。此外，这种效应也可以用来制造一种新型的声波隔离器，它可以在不同频率的声波之间实现选择性的透射或反射，从而实现了声波的调制和滤波。

本文来自微信公众号：万象经验 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang

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