Kvantmikrofon teeb kuuldavaks maailma vaikseima heli

Maailma vaikseim heli on seni olnud ainult teoreetiliselt kuuldav, kuid nüüd on välja töötatud mikrofon, mis suudab vastu võtta ka üksikuid heli osakesi – foononeid. Selliseid mikrofone saaks kasutada nii kvantarvuteis kui ka kirurgias.

Iga kord, kui kuuled mõnd heli, juhtub see seetõttu, et õhk võngub. Kui sa paned muusikakeskuse mängima, sunnivad kõlari membraanid võnkuma õhu­molekulid, mis justkui järjest ümber kukkuvad doomino­kivikesed sunnivad omakorda võnkuma järgmisi enda ümber olevaid õhumolekule. Seda nähtust nimetatakse helilainete levimiseks, vahendab ajakiri Imeline Teadus.

Sinu kõrvalest on justkui parabool­antenn, mis helilaineid püüab, koondab ja kuulmekäiku suunab. Kui keerad muusika­keskuse heli vaiksemaks, nõrgenevad ka võnked ning vaibub kuuldav heli.

Ometi on elementaarsetel väikseimatel võnkumistel ehk üksikutel võnkekvantidel füüsikas tähtis roll. Selliseid molekulstruktuurides levivaid võnkumisi, mida võib tinglikult nimetada ka heli­osakesteks, kutsutakse foononiteks.

Kõik sündmused, mida me tajume ja kuuleme helidena, olgu tegu valju muusika või põrandale kukkunud nööpnõela imevaikse klõpsatusega, tekitavad tahkistes lugematul hulgal foononeid.

Ühe foononi energia on nii väike, et lambipirni põlema panemiseks üheks sekundiks läheks vaja umbes kvadriljoni foononi energiat. Kvadriljon on miljon miljardit ehk 1015 (ehk pikalt lahti kirjutatuna üks, millele järgneb viisteist nulli).

Kuna foononeid tekib väga suurel hulgal isegi väga nõrga heli puhul, murdsid teadlased pead, kuidas üksikuid foononeid kuulda. Stanfordi teadlastel on see nüüd õnnestunud.

Nad leiutasid mikrofoni, mis võimaldab foononeid registreerida ja nii kuulda ka kõige vaiksemaid helisid. Läbimurdelist tehno­loogiat saaks kasutada näiteks selleks, et konstrueerida efektiivsemaid, väiksemaid kvantarvuteid.

Albert Einstein käsitles juba 1907. aastal kristallivõre võnkumist tahkistes. Foononi kui kvaasiosakese mõiste tõi füü­sikas­­se 1932. aastal nõukogude füüsik Igor Tamm.

Kuna foononite energia on üliväike, ei saa neid otseselt mõõta, kuid see-eest alluvad need kvantmehaanika seadustele: võnkumis­te energia ei saa olla suvaline, vaid see on määratud kindlate olekutega – kvantolekutega. Stanfordi teadlased on nende teadmiste põhjal leiutanud kvantmikrofoni, millega on võimalik foononeid ükshaaval loendada.

Loe kvantmikrofonist lähemalt maikuu Imelisest Teadusest!