Dźwiękiem przesunęli przedmiot na 40 cm. Pobili poprzedni rekord

Nie ma magnesów, żyłki ani strumienia powietrza. Jest za to 256 niewielkich nadajników ultradźwiękowych i styropianowa kulka wisząca prawie 40 cm nad nimi. Naukowcy pokazali nowy sposób lewitacji akustycznej, który działa około 6 razy dalej, niż wcześniejsze rozwiązania emitujące dźwięk tylko z jednej strony. Co ważniejsze, przedmiotu nie trzeba utrzymywać w jednej pozycji. Można nim sterować w trzech wymiarach.

Dźwięk potrafi wywierać siłę na materię. Na co dzień jest ona tak niewielka, że trudno ją zauważyć, ale wystarczająco silne i odpowiednio ułożone ultradźwięki mogą przeciwstawić się grawitacji działającej na bardzo lekki przedmiot. Właśnie tak powstaje lewitacja akustyczna.

Najczęściej wykorzystuje się do niej dwa przeciwległe źródła dźwięku albo źródło i reflektor. Fale biegnące w przeciwnych kierunkach nakładają się na siebie, tworząc falę stojącą. W jej strukturze pojawiają się węzły, czyli miejsca, w których ciśnienie akustyczne jest bardzo małe. Niewielki przedmiot można uwięzić w takim punkcie i utrzymać go bez fizycznego kontaktu.

Taka technika działa, ale ma takie ograniczenie, że obiekt musi znajdować się pomiędzy elementami urządzenia. Trochę jak produkt zamknięty pomiędzy dwiema szczękami niewidzialnego imadła. To naprawdę poważny problem, jeżeli lewitacja ma kiedyś wyjść poza laboratoryjne demonstracje. W fabryce, automatycznym laboratorium czy wyświetlaczu przestrzennym znacznie wygodniej byłoby postawić urządzenie pod przedmiotem i sterować nim w otwartej przestrzeni. Naukowcy od dawna próbują właśnie tego.

Jednostronne systemy lewitacji akustycznej również istnieją. Zamiast łapać przedmiot między dwiema przeciwległymi falami, wiele przetworników sterowanych niezależnie tworzy odpowiedni kształt pola akustycznego nad pojedynczą matrycą. Problemem był do tej pory zasięg.

W dotychczasowych rozwiązaniach wykorzystujących tzw. twin trap, czyli parę odpowiednio uformowanych obszarów pola akustycznego, stabilne utrzymywanie przedmiotu było możliwe w odległości mniejszej niż 66,7 mm od matrycy.

Im dalej znajdował się obiekt, tym słabsza stawała się jednak siła utrzymująca go w odpowiednim miejscu. W pewnym momencie pole przestawało działać jak pułapka i zamiast stabilizować przedmiot zaczynało, go wypychać. Zespół z University of Tsukuba, University of Bristol oraz firmy Pixie Dust Technologies postanowił więc nie tyle poprawiać starą pułapkę, a całkowicie zmienić miejsce, w którym przedmiot jest utrzymywany.

Kluczem okazała się tutaj wiązka Bessela zerowego rzędu. Zwykła wiązka dźwięku podczas propagacji stopniowo się rozszerza. Energia rozkłada się na coraz większym obszarze, więc wraz z odległością spada jej intensywność.

Wiązka Bessela zachowuje się zupełnie inaczej. Jej pole ma charakterystyczną strukturę: bardzo wąski, intensywny rdzeń otoczony kolejnymi pierścieniami. Centralny obszar może zachowywać niewielką szerokość na znacznie większej odległości, niż zwykła skupiona wiązka.

Nie jest to idealnie niedyfrakcyjna fala ciągnąca się w nieskończoność, bo w prawdziwym urządzeniu taki efekt zawsze ma ograniczony zasięg. Jest jednak wystarczająco trwały, żeby diametralnie zmienić zachowanie pułapki akustycznej.

Badacze wykorzystali matrycę składającą się z 256 przetworników ultradźwiękowych ułożonych w kwadrat 16 na 16. Każdy pracował z częstotliwością 40 kHz. To już ultradźwięki, czyli częstotliwość znajdująca się powyżej typowej granicy słyszalności człowieka wynoszącej około 20 kHz. Sterując fazą sygnału emitowanego przez poszczególne elementy, można sprawić, że wszystkie fale połączą się w przestrzeni w pożądany sposób. Zamiast zwykłego punktu skupienia powstaje wiązka Bessela.

Nowe rozwiązanie łamie jeszcze jedną regułę klasycznej lewitacji. W tradycyjnych pułapkach obiekt zwykle utrzymywany jest w obszarze niskiego ciśnienia akustycznego otoczonym wyższym ciśnieniem. Japońsko-brytyjski zespół zrobił coś, co wcześniej wydawało się bardzo trudne do stabilnego wykonania: umieścił przedmiot bezpośrednio w centralnym obszarze wysokiego ciśnienia wiązki Bessela.

Teoria przewidywała, że takie rozwiązanie powinno być możliwe. W praktyce jednak wcześniejsze eksperymenty miały problem ze stabilnością. Niewielkie odchylenie wystarczało, aby siły akustyczne zamiast przywracać przedmiot do odpowiedniej pozycji wyrzucały go z pułapki.

Intensywny, wąski rdzeń wiązki Bessela oraz otaczająca go struktura pola tworzą warunki, w których lekki przedmiot można stabilnie utrzymać, mimo że ultradźwięki docierają tylko od dołu. Po raz pierwszy udało się pokazać stabilną lewitację 3D w takim obszarze wysokiego ciśnienia.

Do podstawowego eksperymentu wykorzystano kulkę ze spienionego polistyrenu o średnicy 1,5 mm. Materiał wybrano jednak nieprzypadkowo. Jest niezwykle lekki, dzięki czemu niewielka siła promieniowania akustycznego wystarcza do pokonania grawitacji. Kulkę udało się stabilnie lewitować w zakresie od 141 do 397 mm od matrycy. Maksymalna odległość wyniosła więc 39,7 cm.

To aż 46,6 długości fali wykorzystywanych ultradźwięków i prawie 6 razy więcej niż około 6,67 cm osiągane przez wcześniejsze jednostronne pułapki. Tu warto doprecyzować jednak sam rekord. Badacze nie pokazali kulki, która przeleciała poziomo przez 40 cm. Pokazali jednak możliwość stabilnego utrzymywania i przesuwania obiektu na wysokościach sięgających prawie 40 cm od źródła ultradźwięków. I nie było to tylko statyczne wiszenie.

Ponieważ 256 przetworników jest sterowanych elektronicznie, fizycznej matrycy nie trzeba poruszać. Żeby przesunąć kulkę w bok, badacze przechylali samą wiązkę Bessela. W eksperymencie zmieniali jej kąt od około -10 do 10 stopni, a uwięziony przedmiot podążał za rdzeniem pola. Ruch pionowy uzyskiwano jednak inaczej.

Zmieniając kąt stożkowy tworzący wiązkę, można przesuwać obszar, w którym siły akustyczne równoważą ciężar przedmiotu. Kulka jedzie więc w górę lub w dół bez kontaktu z jakąkolwiek mechaniczną częścią urządzenia. To właśnie dlatego autorzy mówią o pełnej manipulacji 3D. Nie mamy więc akustycznego stolika, na którym obiekt po prostu wisi. Mamy coś znacznie bliższego niewidzialnemu manipulatorowi.

Przeczytaj także:

Jak pisaliśmy już na Spider’s Web przy okazji wcześniejszych eksperymentów z lewitacją akustyczną, sterowane matryce ultradźwiękowe potrafiły przesuwać krople, lekkie kulki i inne obiekty. Problemem pozostawało jednak stworzenie otwartej przestrzeni roboczej i uniezależnienie pułapki od przeszkód. Nowe rozwiązanie atakuje oba problemy jednocześnie.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI