Ученые нашли способ сделать бытовую технику компактнее

Большинство современных бытовых приборов работают по принципу управления различными волнами — радио-, акустическими, оптическими. С их помощью мы нагреваем объекты, записываем и передаем информацию. Важным элементом в таких системах являются резонаторы — устройства, которые «ловят» падающую волну и многократно усиливают ее интенсивность. От свойств резонаторов зависит качество работы техники, призванной управлять светом, звуком или микроволновыми колебаниями. Хороший резонатор, способный эффективно захватывать и удерживать электромагнитное излучение, обычно имеет большие размеры (по сравнению с длиной волны колебаний), но в то же время к большинству современных устройств предъявляют требования компактности. Физики Университета ИТМО, Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» и Австралийского национального университета (группа проф. Юрия Кившаря) нашли решение этого противоречия, создав субволновой резонатор, с размерами много меньше длины волны, способный максимально эффективно концентрировать электромагнитную энергию. «Одна из основных характеристик резонатора — это его добротность, то есть способность накапливать падающую электромагнитную энергию, — рассказывает сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО, доцент СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Михаил Одит. — Обычно добротность резонатора очень быстро затухает с уменьшением его размеров. Поэтому важной задачей становится создание компактного и в то же время высокодобротного резонатора. Для решения этой задачи мы решили прибегнуть к использованию так называемых связанных состояний в континууме, известных из квантовой механики». Это явление заключается во взаимодействии излучений двух связанных резонансов, существующих в одной системе. Оно может приводить как к усилению, так и к полному подавлению излучения резонатора. «В нашей работе было показано, что мы можем обеспечить такую геометрию резонатора, при которой излучаемые им колебания в дальней зоне подавляют друг друга, — добавляет исследователь. — Это происходит, когда резонатор формирует два типа колебаний, имеющих схожую форму полей и возникающих на одной частоте. Если колебания взаимно вычитаются, то резонатор перестает излучать энергию, что фактически означает значительное повышение его эффективности. При этом само устройство остается компактным». Работа ученых опубликована в Advanced Materials. Чтобы наблюдать описанный эффект, необходимо правильно выбрать форму, размер и материал резонатора. Исследователи остановились на устройстве цилиндрической формы из микроволной керамики с большой диэлектрической проницаемостью. Но чтобы с необходимой точностью подобрать размер нужного цилиндра, пришлось бы изготовить десятки резонаторов разных размеров. Поэтому была предложена идея сделать небольшой набор из цилиндров, высота которых менялась бы в два раза по отношению к предыдущему. Таким образом, высота самого маленького цилиндра составила всего четверть миллиметра, а самого крупного — 15 мм. Комбинируя набор из этих резонаторов, можно было собрать конечный образец нужной высоты, сохраняя точность подбора высоты всего ¼ мм. «Нам был необходим резонатор с большой диэлектрической проницаемостью, — рассказывает аспирант Университета ИТМО Сергей Гладышев. — Это важно для наилучшей локализации электромагнитной энергии в устройстве. Это помогло в эксперименте увидеть четкий резонанс даже при наличии паразитных шумов. Микроволновая керамика с низкими потерями подходила для этого лучшим образом. Её свойства сохранялись даже для цилиндров с толщиной меньше миллиметра». В результате ученым удалось найти оптимальные размеры цилиндра и экспериментально наблюдать суперрезонансные состояния. При этом было показано, что уже 5%-изменение высоты резонатора приводило к стократному увеличению его добротности. По сути, авторам исследования удалось добиться максимально высокой добротности резонатора для данного материала. Сделать его более эффективным можно только предложив еще более совершенный диэлектрик с меньшим уровнем поглощения. Материал предоставлен пресс-службой ИТМО