La perfecta transmisión del sonido a través de una barrera es difícil de lograr, si no imposible basado en nuestro conocimiento existente. Esto también es cierto con otras formas de energía como la luz y el calor.

Un equipo de investigación dirigido por el profesor Xiang Zhang, Presidente de la Universidad de Hong Kong (HKU) cuando era profesor en la Universidad de California, Berkeley, (UC Berkeley) ha probado experimentalmente por primera vez una teoría cuántica centenaria de que las partículas relativistas pueden atravesar una barrera con una transmisión del 100%. Los resultados de la investigación se han publicado en la principal revista académica. Ciencias .

Del mismo modo que sería difícil para nosotros saltar sobre un muro alto y grueso sin suficiente energía acumulada. A diferencia de, se predice que una partícula microscópica en el mundo cuántico puede atravesar una barrera mucho más allá de su energía, independientemente de la altura o el ancho de la barrera, como si fuera "transparente".

Ya en 1929, El físico teórico Oscar Klein propuso que una partícula relativista puede atravesar una barrera potencial con una transmisión del 100% sobre la incidencia normal en la barrera. Los científicos llamaron a este fenómeno exótico y contradictorio la teoría del "túnel de Klein". En los siguientes 100 años impares, Los científicos probaron varios enfoques para probar experimentalmente el túnel de Klein, pero los intentos no tuvieron éxito y aún se carece de evidencia experimental directa.

El equipo del profesor Zhang realizó el experimento en cristales fonónicos diseñados artificialmente con celosía triangular. Las propiedades de dispersión lineal de la red permiten imitar la cuasipartícula relativista de Dirac mediante la excitación del sonido, lo que llevó a la observación experimental exitosa de los túneles de Klein.

"Este es un descubrimiento emocionante. Los físicos cuánticos siempre han intentado observar el túnel de Klein en experimentos de partículas elementales, pero es una tarea muy difícil. Diseñamos un cristal fonónico similar al grafeno que puede excitar las cuasipartículas relativistas, pero a diferencia del material natural del grafeno, la geometría del cristal fonónico artificial se puede ajustar libremente para lograr con precisión las condiciones ideales que hicieron posible la primera observación directa de los túneles de Klein, "dijo el profesor Zhang.

El logro no solo representa un gran avance en la física fundamental, pero también presenta una nueva plataforma para explorar sistemas emergentes de macroescala que se utilizarán en aplicaciones tales como dispositivos lógicos en chip para manipulación de sonido, procesamiento de señales acústicas, y recolección de energía sonora.

"En las comunicaciones acústicas actuales, la pérdida de transmisión de energía acústica en la interfaz es inevitable. Si la transmitancia en la interfaz se puede aumentar a casi el 100%, la eficiencia de las comunicaciones acústicas se puede mejorar enormemente, abriendo así aplicaciones de vanguardia. Esto es especialmente importante cuando la superficie o la interfaz juegan un papel en obstaculizar la detección acústica de precisión, como la exploración submarina. La medición experimental también es propicia para el desarrollo futuro del estudio de cuasipartículas con propiedad topológica en cristales fonónicos que podrían ser difíciles de realizar en otros sistemas. "dijo el Dr. Xue Jiang, ex miembro del equipo de Zhang y actualmente investigador asociado en el Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Fudan.

El Dr. Jiang señaló que los hallazgos de la investigación también podrían beneficiar a los dispositivos biomédicos. Puede ayudar a mejorar la precisión de la penetración del ultrasonido a través de obstáculos y alcanzar objetivos designados, como tejidos u órganos, lo que podría mejorar la precisión del ultrasonido para un mejor diagnóstico y tratamiento.

Sobre la base de los experimentos actuales, los investigadores pueden controlar la masa y la dispersión de la cuasipartícula excitando los cristales fonónicos con diferentes frecuencias, logrando así una configuración experimental flexible y control de encendido / apagado de los túneles de Klein. Este enfoque puede extenderse a otras estructuras artificiales para el estudio de la óptica y la termótica. Permite el control sin precedentes de cuasipartículas o frente de onda, y contribuye a la exploración de otros fenómenos físicos cuánticos complejos.