Wetenschappers zijn erin geslaagd om mechanische golven volledig zonder energieverlies op te sluiten — een mijlpaal die al bijna een eeuw als onmogelijk werd beschouwd.
Bijna honderd jaar geleden voorspelden de legendarische natuurkundigen John von Neumann en Eugene Wigner een vreemd golfverschijnsel dat de natuurkundige wereld nog steeds doet duizelen: de Bound State in the Continuum (BIC).
Volgens hun theorie zouden golven, zoals licht, geluid of mechanische trillingen, volledig opgesloten kunnen blijven in een systeem zonder energie te verliezen aan de omgeving. Dat terwijl het systeem zich bevindt in een ‘continuüm’, een ruimte waar energie normaal gesproken vrij zou moeten kunnen ontsnappen.
Tot voor kort werd BIC beschouwd als een elegant maar onhaalbaar theoretisch concept. Maar nu hebben onderzoekers van de Pohang University of Science & Technology (POSTECH) in Zuid-Korea het onmogelijke toch waargemaakt.
Mechanische golven vangen
Het team onder leiding van promovendus Yeongtae Jang slaagde erin om mechanische golven te vangen in kleine cilindervormige kwartsstaven. De onderzoekers positioneerden de staven met uiterste precisie ten opzichte van elkaar. Ze ontdekten een bijzondere configuratie waarbij een mechanische golf volledig werd opgesloten in één enkele staaf, zonder energie te verliezen naar de rest van het systeem.
Deze vorm van energievastlegging, bekend als polarization-protected BIC, werd bereikt met een opmerkelijk hoge kwaliteitsfactor (Q-factor) van meer dan 1.000.
Ter vergelijking: in de meeste alledaagse resonatoren ligt die waarde aanzienlijk lager. Dat betekent dat ze voortdurend energie verliezen en dus een constante stroom nodig hebben om te blijven functioneren.
Energie die beweegt, maar nergens heen gaat
De onderzoekers gingen nog een stap verder door meerdere kwartsstaven met elkaar te verbinden. Wat ze observeerden, tart de logica: de opgesloten golf verspreidde zich door de hele keten zonder uit te waaieren of energie te verliezen.
Dit fenomeen staat bekend als een flat band. In plaats van zich als een steentje in een vijver te gedragen — waarbij rimpels zich steeds verder uitbreiden — bleef de golf lokaal trillen, maar verplaatste zich alsnog door het systeem.
Deze combinatie van afzonderlijke BIC-modus en collectieve flat-band-dynamiek wordt aangeduid als een Bound Band in the Continuum (BBIC). “Het is alsof je een steentje in het water gooit, maar de rimpels bevroren blijven en alleen op hun plek trillen, zonder zich te verspreiden,” aldus Jang.
Een sprong naar super-efficiënte technologie
Volgens het onderzoek, gepubliceerd in Physical Review Letters, markeert deze ontdekking een belangrijke mijlpaal in fundamenteel natuurkundig onderzoek. Maar de praktische toepassingen zijn misschien nog veel indrukwekkender.
Talloze apparaten die we dagelijks gebruiken — van smartphones en smartwatches tot magnetrons en speakers — maken gebruik van resonatoren om golven te versterken. Die resonatoren verliezen echter continu energie, waardoor ze een constante stroomvoorziening nodig hebben. Met BIC en BBIC kan dat probleem in theorie opgelost worden.
De implicaties zijn verstrekkend. Sensoren met extreem hoge gevoeligheid, energiezuinige communicatieapparatuur en zelfs quantumtechnologieën met minimale decoherentie worden hierdoor veel realistischer.
“We hebben een theoretische grens doorbroken die decennialang als onaantastbaar werd beschouwd,” zegt Junsuk Rho. “Hoewel dit nog fundamenteel onderzoek is, opent het deuren naar een nieuwe generatie van energie-efficiënte technologie.”
De heilige graal van de fysica?
Het gevangen houden van energie zonder verlies wordt wel eens de heilige graal van de fysica genoemd. De Koreaanse doorbraak bewijst dat het niet langer alleen bij dromen of vergelijkingen op papier hoeft te blijven.
Terwijl het praktische nut nog in ontwikkeling is, staat één ding vast: dit is een sprong die decennialange grenzen overstijgt.
