Многие технологии вокруг нас - от смартфонов и ультразвуковых устройств до радиоприемников - основаны на резонансе, явлении, при котором волны усиливаются на определенных частотах. Однако типичные резонаторы со временем постепенно теряют энергию, требуя постоянного подвода энергии для поддержания своей функции.

Почти столетие назад нобелевские лауреаты Джон фон Нейман и Юджин Вигнер предложили противоречащую здравому смыслу концепцию: при определенных условиях волны могут задерживаться бесконечно долго без какой-либо утечки энергии. Эти так называемые связанные состояния в Континууме (BIC) подобны водоворотам, которые остаются на месте, даже когда их обтекает река. Но в течение десятилетий ученые считали, что это явление не может существовать в компактной системе из одних частиц.

Теперь исследовательская группа преодолела эту давнюю теоретическую границу, успешно реализовав BIC в одной частице.

Используя систему цилиндрических гранулированных частиц - небольших твердых стержней из кварца - исследователи создали легко настраиваемую механическую платформу. Точно регулируя то, как цилиндры соприкасаются друг с другом, они могли бы управлять взаимодействием механических волн на границах контакта.

При специальном выравнивании волновой режим стал полностью замкнутым в пределах одного цилиндра без выхода какой-либо энергии в окружающую структуру. Этот так называемый BIC с защитой от поляризации был не просто теоретическим - он наблюдался в реальных экспериментах. Еще более примечательно, что система достигла коэффициентов качества (добротности) более 1000, что является показателем того, насколько эффективно резонатор накапливает энергию с минимальными потерями.

Что происходит, когда многие из этих специальных цилиндров соединяются в цепочку? Команда обнаружила, что захваченные волновые моды могут распространяться по всей цепочке без рассеивания - явление, известное как плоская полоса.

"Это все равно что бросить камень в тихий пруд и увидеть, как рябь остается неподвижной, вибрируя только на месте", - сказал ведущий автор доктор Йонтэ Чжан. "Несмотря на то, что система допускает волновое движение, энергия не распространяется - она остается идеально ограниченной". Такое поведение описывается как ограниченная полоса в континууме (BBIC) и открывает новые возможности для сбора энергии, сверхчувствительных датчиков и даже продвинутых средств связи.

"Мы преодолели давнюю теоретическую границу", - сказал профессор Джунсук Ро, который возглавляет исследование. "Хотя это все еще находится на стадии фундаментальных исследований, последствия значительны - от устройств с низкими потерями энергии до технологий обнаружения и передачи сигналов следующего поколения".

Это исследование было поддержано исследовательской программой среднего звена Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемой Министерством науки и ИКТ, а также Исследовательским центром конвергенции POSCO-POSTECH-RIST.