Čukstošās galerijas viļņi

Vikipēdijas lapa
Jump to navigation Jump to search

Čukstošās galerijas viļņi jeb čukstošās galerijas modas ir viļņu veids, kas pārvietojas gar ieliektu virsmu. Sākotnēji tie tika atklāti skaņas viļņiem čukstošajā galerijā Svētā Pāvila katedrālē, bet tie var rasties arī gaismas viļņiem un citu veidu viļņiem. Čukstošās galerijas viļņiem ir pielietojumi lāzeros, dzesēšanā, sensoros, kā arī astronomijā un telekomunikācijās.

Ievads[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Šķērsgriezums čukstošās galerijas skaņas viļņiem ar gaisu pildītam 33.7 m lielam cilindram (čukstošās galerijas izmērs Svētā Pāvila katedrālē).[1] Sarkanie un zilie laukumi apzīmē augstāku un zemāku spiedienu, bet režģa līnijas norāda daļiņu novirzi. Ja viļņi ceļo vienā virzienā ap galeriju, gaisa daļiņas ieņem eliptisku kustību.[2]

Čukstošās galerijas viļņus pirmoreiz zinātniski aprakstīja Lords Relejs 1878. gadā[3], lai kliedētu mītu[4][5], ka Svētā Paula katedrāles apaļajā galerijā čukstus var dzirdēt tikai dažās specifiskās vietās. Viņš noskaidroja, ka skaņas intensitāte pie sienas krītas apgriezti proporcionāli attālumam, nevis attāluma kvadrātam, kā tas ir punktveida skaņas avotam izplatoties visos virzienos. Tas izskaidroja, kāpēc čuksti ir dzirdami visapkārt galerijai. Lords Relejs 1910.[6] un 1914.[7] gadā izstrādāja viļņu teorijas, kas izskaidroja čukstošās galerijas fenomenu. Skaņas viļņi iegulst apaļajā galerijā un viļņu interferences rezultātā rodas rezonanse. Skaņas viļņi galerijā ir stabili tikai pie noteiktām notīm, kas rezonē ar galeriju, līdzīgi kā ērģeļu caurulēs veidojas noteiktas notis pie noteiktiem izmēriem. Skaņas viļņi veido modas.[1].

Čukstošās galerijas modas akustiskiem viļņiem var novērot arī citās celtnēs[8] ar lielām apļveida telpām kā, piemēram, Debesu templī Pekinā.

Pēc definīcijas, čukstošās galerijas viļņi nevar rasties, ja atstarojošā virsma ir taisna[9]. Matemātiski tas atbilst limitam, kad liekuma rādiuss tiecas uz bezgalību. Čukstošās galerijas viļņi rodas, pateicoties sienas virsmas liekumam.

Akustiskie viļņi[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Čukstošās galerijas viļņi akustisko viļņu formā eksistē daudzās dažādās sistēmās kā, piemēram, vibrācijas zemeslodē[10] vai zvaigznēs[11]. Šādi akustiski čukstošās galerijas viļņi var tikt pielietoti neinvazīvai testēšanai, kur viļņi iespiežas caurumos, kas ir piepildīti ar šķidrumu[12]. Tos var novērot arī cietos cilindros[13] un sfērās[14]. Čukstošās galerijas viļņus ir efektīvāk vadīt sfērās nekā cilindros, jo sfērās tiek kompensēta akustiskā difrakcija[15].

Elektromagnētiskie viļņi[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Gaismas čukstošās galerijas viļņi stikla lodītē ar diametru 300μm, eksperimentāli nofotografēts ar fluorescences metodi. Labajā malā var redzēt optiskās šķiedras galu, no kura gaisma tiek ievadīta mikrorezonatorā. [16]

Čukstošās galerijas viļņi eksistē arī priekš gaismas viļņiem[17][18][19], kas tiek iegūti mikroskopiskās stikla sfērās vai cilindros, kas tiek pielietots lāzeros[20], dzesēšanā[21], "frekvenču ķemmes" ģenerēšanā[22] un sensoru izveidē[23]. Pateicoties pilnīgai iekšējai atstarošanai no mikrorezonatora iekšējās virsmas, var iegūt mikrorezonatora kvalitātes faktorus, lielākus par 1010[24], kas vairākkārt pārsniedz labākos kvalitātes faktorus akustiskās sistēmās, kas ir ap 104[25]. Optiskajām modām čukstošās galerijas mikrorezonatorā pat ideālos apstākļos rodas radiācijas zudumi, kas mehānisma ziņā ir līdzīgi kvantu tunelēšanās efektam. Radiācijas zudumi tiek pētīti optiskās viļņvadīšanas teorijas ietvaros optiskajām šķiedrām un tos dēvē arī par vājināšanos staru tunelēšanās ietekmē[26]. Kvalitātes faktors ir proporcionāls viļņa dzīves laikam un apgriezti proporcionāls virsmas izkliedei un gaismas viļņu absorbcijai mikrorezonatora vidē. Čukstošās galerijas viļņi tiek pētīti arī haotiskās galerijās[27][28], kur šķērsgriezums nav riņķis - šādiem viļņiem ir pielietojamība kvantu informācijas tehnoloģijās[29]. Čukstošās galerijas viļņi ir novērojami arī citiem elektromagnētiskajiem viļņiem kā radioviļņiem[30], mikroviļņiem[31], terahercu radiācijai[32], infrasarkanajam starojumam[33], ultravioletajam starojumam[34] un rentgenstariem[35].

Citas sistēmas[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Čukstošās galerijas viļņi ir novēroti matērijas viļņu formā neitronos[36] un elektronos[37], kā arī ir iespējams iemesls vibrācijām vienkodola atomā.[38] Čukstošās galerijas viļņi novērojami arī ziepju plēvītes un plānu virsmu vibrācijās.[39] Analoģijas ar čukstošās galerijas modām ir arī gravitācijas viļņiem pie melno caurumu notikumu horizonta.[1] Čukstošās galerijas viļņi novēroti arī virsmas plazmoniem[40], kuri ir hibrīds starp elektronu un gaismas vilni, kā arī eksitoniem-polaritoniem pusvadītājos.[41] Ir arī uztaisīti čukstošās galerijas viļņi priekš vienlaikus optiskiem un akustiskiem viļņiem, kur var novērot stipru modu sapīšanos un koherences efektus.[42]

Atsauces[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

  1. 1,0 1,1 1,2 Wright, Oliver B. (2012). "Gallery of whispers". Physics World 25 (2): 31–36. Bibcode 2012PhyW...25b..31W. doi:10.1088/2058-7058/25/02/36.
  2. Wright B. Oliver, Oliver Matsuda. «Watching whispering-gallery waves». Laboratory of Applied Solid State Physics, Hokkaido University. Skatīts: 2018-11-30.
  3. Lord Rayleigh, Theory of Sound, vol. II, 1st edition, (London, MacMillan), 1878.
  4. J. Tyndall, The Science of Sound (New York, Philosophical Library), 1867, p. 20.
  5. G. B. Airy, On Sound and Atmospheric Vibrations, with the Mathematical Elements of Music (London, MacMillan), 1871, p. 145.
  6. Rayleigh, Lord (1910). "CXII. The problem of the whispering gallery". The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science (Informa UK Limited) 20 (120): 1001–1004. doi:10.1080/14786441008636993. ISSN 1941-5982.
  7. Rayleigh, Lord (1914). "IX. Further applications of Bessel's functions of high order to the Whispering Gallery and allied problems". The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science (Informa UK Limited) 27 (157): 100–109. doi:10.1080/14786440108635067. ISSN 1941-5982.
  8. Raman, C. V. (1921–1922). "XV. On Whispering Galleries". Proceedings of the Indian Association for the Cultivation of Science 7: 159.
  9. L. M. Brekhovskikh, Sov. Phys. Acoust. 13, 462, 1968
  10. Quantitative Seismology, K. Aki and P. G. Richards (University Science Books), 2009, Ch. 8
  11. Reese, D. R.; MacGregor, K. B.; Jackson, S.; Skumanich, A.; Metcalfe, T. S. (1 March 2009). "Pulsation modes in rapidly rotating stellar models based on the self-consistent field method". Astronomy & Astrophysics (EDP Sciences) 506 (1): 189–201. arXiv:0903.4854. Bibcode 2009A&A...506..189R. doi:10.1051/0004-6361/200811510. ISSN 0004-6361.
  12. Nagy, Peter B.; Blodgett, Mark; Golis, Matthew (1994). "Weep hole inspection by circumferential creeping waves". NDT & E International (Elsevier BV) 27 (3): 131–142. doi:10.1016/0963-8695(94)90604-1. ISSN 0963-8695.
  13. Clorennec, D; Royer, D; Walaszek, H (2002). "Nondestructive evaluation of cylindrical parts using laser ultrasonics". Ultrasonics (Elsevier BV) 40 (1–8): 783–789. doi:10.1016/s0041-624x(02)00210-x. ISSN 0041-624X. PMID 12160045.
  14. Ishikawa, Satoru; Nakaso, Noritaka; Takeda, Nobuo; Mihara, Tsuyoshi; Tsukahara, Yusuke; Yamanaka, Kazushi (2003). "Surface acoustic waves on a sphere with divergent, focusing, and collimating beam shapes excited by an interdigital transducer". Applied Physics Letters (AIP Publishing) 83 (22): 4649–4651. Bibcode 2003ApPhL..83.4649I. doi:10.1063/1.1631061. ISSN 0003-6951.
  15. Ishikawa, Satoru; Cho, Hideo; Yamanaka, Kazushi; Nakaso, Noritaka; Tsukahara, Yusuke (30 May 2001). "Surface Acoustic Waves on a Sphere –Analysis of Propagation Using Laser Ultrasonics–". Japanese Journal of Applied Physics (Japan Society of Applied Physics) 40 (Part 1, No. 5B): 3623–3627. Bibcode 2001JaJAP..40.3623I. doi:10.1143/jjap.40.3623. ISSN 0021-4922.
  16. «Delaying Trains of Short Light Pulses in WGM Resonators». Tech Briefs Media Group (angļu). 2018. gada 1. septembris. Skatīts: 2018-11-30.
  17. Mie, Gustav (1908). "Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen" (de). Annalen der Physik (Wiley) 330 (3): 377–445. Bibcode 1908AnP...330..377M. doi:10.1002/andp.19083300302. ISSN 0003-3804.
  18. Debye, P. (1909). "Der Lichtdruck auf Kugeln von beliebigem Material" (de). Annalen der Physik (Wiley) 335 (11): 57–136. Bibcode 1909AnP...335...57D. doi:10.1002/andp.19093351103. ISSN 0003-3804.
  19. Oraevsky, Anatolii N (31 May 2002). "Whispering-gallery waves". Quantum Electronics (IOP Publishing) 32 (5): 377–400. doi:10.1070/qe2002v032n05abeh002205. ISSN 1063-7818.
  20. Rakovich, Y.P.; Donegan, J.F. (2 June 2009). "Photonic atoms and molecules". Laser & Photonics Reviews (Wiley) 4 (2): 179–191. doi:10.1002/lpor.200910001. ISSN 1863-8880.
  21. Kippenberg, T. J.; Vahala, K. J. (29 August 2008). "Cavity Optomechanics: Back-Action at the Mesoscale". Science (American Association for the Advancement of Science (AAAS)) 321 (5893): 1172–1176. Bibcode 2008Sci...321.1172K. doi:10.1126/science.1156032. ISSN 0036-8075. PMID 18755966.
  22. Del’Haye, P.; Schliesser, A.; Arcizet, O.; Wilken, T.; Holzwarth, R.; Kippenberg, T. J. (2007). "Optical frequency comb generation from a monolithic microresonator". Nature (Springer Science and Business Media LLC) 450 (7173): 1214–1217. arXiv:0708.0611. Bibcode 2007Natur.450.1214D. doi:10.1038/nature06401. ISSN 0028-0836. PMID 18097405.
  23. Arnold, S.; Khoshsima, M.; Teraoka, I.; Holler, S.; Vollmer, F. (15 February 2003). "Shift of whispering-gallery modes in microspheres by protein adsorption". Optics Letters (The Optical Society) 28 (4): 272–4. Bibcode 2003OptL...28..272A. doi:10.1364/ol.28.000272. ISSN 0146-9592. PMID 12653369.
  24. Grudinin, Ivan S.; Ilchenko, Vladimir S.; Maleki, Lute (8 December 2006). "Ultrahigh optical Q factors of crystalline resonators in the linear regime". Physical Review A (American Physical Society (APS)) 74 (6): 063806. Bibcode 2006PhRvA..74f3806G. doi:10.1103/physreva.74.063806. ISSN 1050-2947.
  25. Yamanaka, K.; Ishikawa, S.; Nakaso, N.; Takeda, N.; Sim, Dong Youn et al. (2006). "Ultramultiple roundtrips of surface acoustic wave on sphere realizing innovation of gas sensors". IEEE Transactions Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control 53 (4): 793. doi:10.1109/TUFFC.2006.1621507.
  26. Pask, Colin (1 December 1977). "Generalized parameters for tunneling ray attenuation in optical fibers". Journal of the Optical Society of America (The Optical Society) 68 (1): 110. doi:10.1364/josa.68.000110. ISSN 0030-3941.
  27. Gmachl, C. (5 June 1998). "High-Power Directional Emission from Microlasers with Chaotic Resonators". Science 280 (5369): 1556–1564. arXiv:cond-mat/9806183. Bibcode 1998Sci...280.1556G. doi:10.1126/science.280.5369.1556. ISSN 0036-8075. PMID 9616111.
  28. Baryshnikov, Yuliy; Heider, Pascal; Parz, Wolfgang; Zharnitsky, Vadim (22 September 2004). "Whispering Gallery Modes Inside Asymmetric Resonant Cavities". Physical Review Letters (American Physical Society (APS)) 93 (13): 133902. Bibcode 2004PhRvL..93m3902B. doi:10.1103/physrevlett.93.133902. ISSN 0031-9007. PMID 15524720.
  29. Tanaka, Akira; Asai, Takeshi; Toubaru, Kiyota; Takashima, Hideaki; Fujiwara, Masazumi; Okamoto, Ryo; Takeuchi, Shigeki (24 January 2011). "Phase shift spectra of a fiber–microsphere system at the single photon level". Optics Express (The Optical Society) 19 (3): 2278–85. arXiv:1101.5198. Bibcode 2011OExpr..19.2278T. doi:10.1364/oe.19.002278. ISSN 1094-4087. PMID 21369045.
  30. Budden, K. G.; Martin, H. G. (6 February 1962). "The ionosphere as a whispering gallery". Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences (The Royal Society) 265 (1323): 554–569. Bibcode 1962RSPSA.265..554B. doi:10.1098/rspa.1962.0042. ISSN 2053-9169.
  31. Stanwix, P. L. (2005). "Test of Lorentz Invariance in Electrodynamics Using Rotating Cryogenic Sapphire Microwave Oscillators". Physical Review Letters 95 (4): 040404. arXiv:hep-ph/0506074. Bibcode 2005PhRvL..95d0404S. doi:10.1103/PhysRevLett.95.040404. PMID 16090785.
  32. Mendis, R.; Mittleman, M. (2010). "Whispering-gallery-mode terahertz pulse propagation on a curved metallic plate". Applied Physics Letters 97 (3): 031106. Bibcode 2010ApPhL..97c1106M. doi:10.1063/1.3466909.
  33. Albert, F.; Braun, T.; Heindel, T.; Schneider, C.; Reitzenstein, S.; Höfling, S.; Worschech, L.; Forchel, A. (6 September 2010). "Whispering gallery mode lasing in electrically driven quantum dot micropillars". Applied Physics Letters (AIP Publishing) 97 (10): 101108. Bibcode 2010ApPhL..97j1108A. doi:10.1063/1.3488807. ISSN 0003-6951.
  34. Hyun, J. K.; Couillard, M.; Rajendran, P.; Liddell, C. M.; Muller, D. A. (15 December 2008). "Measuring far-ultraviolet whispering gallery modes with high energy electrons". Applied Physics Letters (AIP Publishing) 93 (24): 243106. Bibcode 2008ApPhL..93x3106H. doi:10.1063/1.3046731. ISSN 0003-6951.
  35. Liu, Chien; Golovchenko, Jene A. (4 August 1997). "Surface Trapped X Rays: Whispering-Gallery Modes atλ=0.7Å". Physical Review Letters (American Physical Society (APS)) 79 (5): 788–791. Bibcode 1997PhRvL..79..788L. doi:10.1103/physrevlett.79.788. ISSN 0031-9007.
  36. Nesvizhevsky, Valery V.; Voronin, Alexei Yu.; Cubitt, Robert; Protasov, Konstantin V. (13 December 2009). "Neutron whispering gallery". Nature Physics (Springer Science and Business Media LLC) 6 (2): 114–117. doi:10.1038/nphys1478. ISSN 1745-2473.
  37. Reecht, Gaël; Bulou, Hervé; Scheurer, Fabrice; Speisser, Virginie; Carrière, Bernard; Mathevet, Fabrice; Schull, Guillaume (29 January 2013). "Oligothiophene Nanorings as Electron Resonators for Whispering Gallery Modes". Physical Review Letters (American Physical Society (APS)) 110 (5): 056802. arXiv:1301.4860. Bibcode 2013PhRvL.110e6802R. doi:10.1103/physrevlett.110.056802. ISSN 0031-9007. PMID 23414040.
  38. Dragún, Olga; Überall, Herbert (1980). "Nuclear Rayleigh and whispering gallery waves excited in heavy ion collisions". Physics Letters B (Elsevier BV) 94 (1): 24–27. Bibcode 1980PhLB...94...24D. doi:10.1016/0370-2693(80)90816-3. ISSN 0370-2693.
  39. Arcos, E.; Báez, G.; Cuatláyol, P. A.; Prian, M. L. H.; Méndez-Sánchez, R. A.; Hernández-Saldaña, H. (1998). "Vibrating soap films: An analog for quantum chaos on billiards". American Journal of Physics (American Association of Physics Teachers (AAPT)) 66 (7): 601–607. arXiv:chao-dyn/9903002. Bibcode 1998AmJPh..66..601A. doi:10.1119/1.18913. ISSN 0002-9505.
  40. Min, Bumki; Ostby, Eric; Sorger, Volker; Ulin-Avila, Erick; Yang, Lan; Zhang, Xiang; Vahala, Kerry (2009). "High-Q surface-plasmon-polariton whispering-gallery microcavity". Nature (Springer Science and Business Media LLC) 457 (7228): 455–458. Bibcode 2009Natur.457..455M. doi:10.1038/nature07627. ISSN 0028-0836. PMID 19158793.
  41. Sun, Liaoxin; Chen, Zhanghai; Ren, Qijun; Yu, Ke; Bai, Lihui; Zhou, Weihang; Xiong, Hui; Zhu, Z. Q. et al. (16 April 2008). "Direct Observation of Whispering Gallery Mode Polaritons and their Dispersion in a ZnO Tapered Microcavity". Physical Review Letters 100 (15): 156403. arXiv:0710.5334. Bibcode 2008PhRvL.100o6403S. doi:10.1103/physrevlett.100.156403. ISSN 0031-9007. PMID 18518134.
  42. Kim, JunHwan; Kuzyk, Mark C.; Han, Kewen; Wang, Hailin; Bahl, Gaurav (26 January 2015). "Non-reciprocal Brillouin scattering induced transparency". Nature Physics (Springer Science and Business Media LLC) 11 (3): 275–280. arXiv:1408.1739. Bibcode 2015NatPh..11..275K. doi:10.1038/nphys3236. ISSN 1745-2473.