聲波隧穿效應

大家都知道，聲波是一種機械波，它需要有一個物質介質來傳播。如果沒有介質，聲波就無法存在，也無法傳遞能量。這就像我們在真空中無法聽到聲音一樣。那么，如果兩個物體之間有一個很小的真空間隙，聲波能否從一個物體傳到另一個物體呢？這看起來似乎是不可能的，因為聲波在真空中會衰減到零。但是，有一種特殊的物質，叫做壓電材料，它可以使這種看似不可能的事情變成可能。

壓電材料是一種能夠將機械應力轉化為電場，或者將電場轉化為機械形變的材料。當一個聲波在一個壓電材料中傳播時，它會產生一個與之相伴的電場。這個電場并不局限于材料內部，而是會延伸到材料表面外部，并且隨著距離的增加而指數衰減。這就像我們在電磁學中學過的那樣，當一個平面電磁波在一個導體表面上反射時，它會產生一個表面電流和一個表面電荷密度。這些表面電荷會產生一個向外延伸的衰減電場。(www.ws46.com)

如果我們把兩個壓電材料放得很近，使得它們之間的真空間隙小于聲波的波長，那么從一個材料發出的聲波所產生的衰減電場就有可能足夠強，以至于能夠影響到另一個材料的表面電荷，并且激發出另一個聲波。這就相當于聲波通過了真空間隙，實現了一種隧穿效應。這種效應并不依賴于任何量子力學的原理，而是純粹由經典的機械和電磁理論所描述。

完全隧穿條件

那么，在什么條件下，聲波可以完全地從一個壓電材料傳到另一個壓電材料呢？換句話說，在什么條件下，從一個材料發出的聲波能量等于進入另一個材料的聲波能量呢？這就需要我們考慮兩個壓電材料之間的匹配問題。

首先，我們要注意到，并不是所有類型和方向的聲波都能夠在壓電材料中產生顯著的電場效應。只有那些與晶體對稱性相適應，并且具有橫向分量（即垂直于傳播方向）的形變或應力的聲波才能夠有效地耦合到電場中。這些聲波被稱為壓電活性聲波。例如，在具有六方對稱性（例如鋅鐵礦石）的壓電材料中，只有沿著六角軸方向傳播的橫波才是壓電活性的。因此，我們要想實現聲波的隧穿效應，就必須選擇合適的壓電材料和聲波的極化和傳播方向。

其次，我們要注意到，并不是所有頻率的聲波都能夠在兩個壓電材料之間實現完全隧穿。只有當兩個材料的聲波阻抗（即聲波在材料中傳播時所受到的阻力）相等或者相近時，才能夠避免聲波在界面上的反射，并且保證聲波能量的最大傳輸。這就像我們在光學中學過的那樣，當光從一個介質進入另一個介質時，如果兩個介質的折射率相等或者相近，那么光就不會發生反射，而是完全地透射。因此，我們要想實現聲波的完全隧穿，就必須選擇合適的壓電材料和聲波的頻率。

如果滿足了這些條件，那么聲波就可以從一個壓電材料完全地傳到另一個壓電材料，而不會發生任何反射或衰減。這就是聲波完全隧穿效應。

實驗驗證

那么，這種效應是否真的存在呢？有沒有人做過實驗來驗證呢？答案是肯定的。在一篇新發表的論文中，作者就使用了兩種不同類型的壓電材料：鋯鈦酸鉛（PZT）和鋯鈦酸鍶（PST），它們都具有四方對稱性。作者選擇了沿著四方軸方向傳播的橫波作為壓電活性聲波，并且調節了聲波的頻率和兩個材料之間的真空間隙，使得它們滿足了完全隧穿條件。

作者使用了一個超聲換能器來產生和接收聲波，并且測量了聲波在兩個材料之間的透射系數（即進入另一個材料的聲波能量與從一個材料發出的聲波能量之比）。作者發現，在某些特定頻率下，透射系數接近于1，表明聲波幾乎完全地從一個材料傳到另一個材料，而沒有任何損失。這就是實驗上觀察到的聲波完全隧穿效應。

應用前景

這種效應有什么用處呢？作者指出，這種效應可以用來制造一種新型的超聲換能器，它可以在不同類型和形狀的壓電材料之間實現高效的聲波傳輸，從而提高了換能器的靈敏度和靈活性。此外，這種效應也可以用來制造一種新型的聲波隔離器，它可以在不同頻率的聲波之間實現選擇性的透射或反射，從而實現了聲波的調制和濾波。