Nel 1801 Thomas Young mise a punto un celebre esperimento che rivelò la natura ondulatoria della luce. Oggi, per la prima volta, un gruppo di fisici della Leiden University ha replicato quello stesso esperimento utilizzando il suono. Il risultato ha fornito nuove intuizioni, con potenziali applicazioni nei dispositivi 5G e nel campo dell’acustica quantistica.
«Abbiamo osservato che le onde sonore nei materiali si comportano in modo simile alla luce, ma con alcune differenze. Grazie a un modello matematico, siamo ora in grado di descrivere e prevedere questo comportamento», spiega Thomas Steenbergen.
Nell’esperimento di Young, una sorgente illumina uno schermo opaco con due fenditure parallele, molto ravvicinate rispetto alla lunghezza d’onda della luce incidente. Queste fenditure agiscono come due sorgenti di luce coerente che, sovrapponendosi, si rafforzano o si annullano a vicenda, generando su uno schermo posto a distanza una figura d’interferenza composta da bande alternate chiare e scure.
Lo stesso esperimento è stato successivamente replicato con le particelle, dimostrando che ogni particella può comportarsi sia come corpuscolo sia come onda. Nel tempo, l’esperimento della doppia fenditura è stato eseguito con diversi oggetti quantistici, dagli elettroni e dai neutroni fino ai buckyball, molecole composte da 60 atomi di carbonio.
In questo studio, gli autori volevano capire come si comporta il suono su scala microscopica, e l’esperimento della doppia fenditura offre informazioni preziose a riguardo. Per la configurazione sperimentale, si sono ispirati a un progetto di ricerca avviato dallo studente di fisica Krystian Czerniak.
Nell’esperimento, i ricercatori hanno utilizzato onde sonore con frequenze dell’ordine di gigahertz, ossia onde che vibrano un miliardo di volte al secondo, ben al di sopra della soglia uditiva umana (indicativamente, da 20 Hz a 20 kHz). Le onde sonore sono state dirette verso un piccolo pezzo di arseniuro di gallio, un materiale semiconduttore spesso utilizzato nei dispositivi elettronici, sul quale sono state incise due minuscole fenditure utilizzando un fascio di ioni.
«Misuriamo quindi il suono con uno scanner ottico estremamente preciso. Questo dispositivo può rilevare il suono letteralmente ovunque, anche all’interno e davanti alle fessure. Siamo in grado di misurare l’ampiezza delle onde sonore con precisione al picometro, cioè un milionesimo di micrometro», commenta Steenbergen.
Proprio come negli esperimenti con la luce e la doppia fenditura, oltre il pannello compare un pattern di interferenza, in cui è possibile osservare chiaramente dove il suono viene amplificato e dove viene annullato. «Se però si guarda con attenzione, si nota che il pattern non è completamente simmetrico. Le onde sonore non si propagano allo stesso modo in tutte le direzioni: la loro velocità dipende dall’angolo con cui attraversano il materiale», spiega Steenbergen. Il team è riuscito a spiegare queste differenze e a prevederle con precisione grazie a un modello matematico sviluppato appositamente.
I risultati delle misurazioni, con un primo piano dell’area intorno alle due fessure a sinistra. Compare un chiaro pattern di interferenza. Crediti: Steenbergen et al.
«Queste onde acustiche ad altissima frequenza sono ampiamente impiegate nelle telecomunicazioni, come nel 5G. Negli smartphone, ad esempio, servono a filtrare e processare i segnali elettromagnetici che trasportano le informazioni durante una chiamata o la navigazione su internet», commenta a Media Inaf Matteo Fisicaro, co-autore dello studio. «La loro frequenza elevatissima le fa propagare su scala microscopica e, studiandone il comportamento a queste scale ridotte, la nostra ricerca contribuisce a fornire le basi scientifiche necessarie per lo sviluppo delle prossime generazioni di dispositivi di telecomunicazioni».
Lo studio offre inoltre spunti interessanti per il campo emergente dell’acustica quantistica, in cui le onde sonore su scala estremamente piccola vengono impiegate per trasportare informazioni. Così, un esperimento risalente a secoli fa continua a spalancare nuove porte alla ricerca scientifica.
Per saperne di più:
- Leggi su Optics Letters l’articolo “Young’s double-slit experiment with anisotropic GHz surface acoustic waves on gallium arsenide” di Thomas Steenbergen, Matteo Fisicaro, Krystian Czerniak, Matthijs Rog, Kaveh Lahabi e Wolfgang Löffler