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“真空を越えて”音を伝える新たな方法が考案された

フィンランド・ユヴァスキュラ大学の研究者らは、「音は真空中を伝わることが出来ない」と言う事実がある中、特殊な装置を使い、極めて小さな距離であれば空気のない空間を越えて音を伝えることに成功した。

実際には「真空中を音がそのまま伝わる」というわけではなく、圧電材料を利用して音波を電界に変換して真空を通過させ、その後、反対側で電界を音波に再度変換することで実現させている。そういう意味で、我々の常識を覆すものではないが、この技術は、地球上の意外な用途に役立つかもしれないと、研究者らは述べている。

音波は、空気や水などの媒質の粒子を振動させながら、音源から受信機へと伝わる。つまり、真空には媒質が存在しない。例えば、我々が地球上で音を聞くことが出来るのも、空気という媒介が存在するからだ。だが、空気がなければ、振動するものは何もなく、したがって音も伝わらない。

研究者らは、宇宙空間でも音を伝えることが出来ないかどうかと考えた。ユヴァスキュラ大学ナノ科学センターのZhuoran Geng氏とIlari Maasilta氏は、2つの酸化亜鉛結晶の間の真空中を音波を伝達、つまり「トンネル化」し、その振動波を物体間の電界内の波紋に変換したのだ。“圧電材料”と呼ばれる特殊な材料には、トルマリンや石英のような結晶、ある種のセラミックやポリマー、酸化亜鉛のような半導体がある。圧電材料が特別なのは、応力に対してどのように反応するかということだ。圧電材料は、押されたり、曲げられたり、伸ばされたり、振動したりすると、電荷を発生させる。

酸化亜鉛結晶は圧電材料であり、力や熱が加わると電荷が発生する。したがって、これらの結晶のひとつに音を加えると、電荷が発生し、近くの電界が乱される。結晶が他の結晶と電界を共有している場合、磁場の乱れは真空を横切って一方から他方へと伝わる。乱れは音波の周波数を反映するので、受信側の水晶は、真空の反対側で乱れを音に戻すことができる。

vacuum sound schematic
真空中のギャップによって隔てられた2つの圧電材料からなるシステムの概略図。 (Credit: Geng and Maasilta, Commun. Phys., 2023)

しかし、磁場の乱れは音波の波長以上の距離を移動することはできない。理論的には、結晶間のギャップが十分に小さい限り、音の波長がどんなに小さくても、どんな音にも作用するそうだ。

この方法は必ずしも信頼できるものではない。実験の大部分において、音は2つの結晶の間を完全には伝わらなかった。波の一部が電界を通過する際にゆがんだり反射したりしたのだ。しかし、時には圧電材料が音波全体を完全に透過させることもあった。

「ほとんどの場合、(音が伝わる)効率は小さいのですが、波の全エネルギーが100%の効率で、反射することなく真空を飛び越えるような状況も見つかりました」と、Maasilta氏は声明で述べた。

この発見は、スマートフォンやその他の技術に見られるような微小電気機械部品の開発に役立つ日が来るかもしれない、と研究者たちは述べている。


論文

参考文献

研究の要旨

圧電材料における機械的変位は巨視的な電場を伴い、電荷-電荷相互作用距離を超えた真空ギャップを横切る音響波のトンネリングを可能にする。しかし、音響波の完全なトンネリングを厳密に証明した例はなく、完全なトンネリングを達成するための条件も明らかにされていない。ここでは、任意の異方性結晶対称性と結晶方位に対して、このような現象が起こる条件を解析的に示し、漏れ表面波の励振周波数で到来波の完全透過が起こることを示す。また、この完全透過条件は、圧電材料の表面電気インピーダンスと有効表面誘電率に関係することを示し、完全トンネリングを実験的に実現することに関連する。我々は、同一のZnO結晶間をトンネルする遅い横波の最大電力透過率に関する数値計算結果によって、我々の発見を支持する。その結果、広い配向範囲において完全なトンネリングが実現できることが示された。

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