الملاحظة التجريبية لانتقالات الطور غير الهيرميتية باستخدام الثرموأكوستيك المستحث بالليزر

تحويل الضوء إلى تحكّم بالصوت

تخيّل أن توجّه الصوت بدقة مماثلة لتوجيه الضوء الآن في الألياف الضوئية—تجعله يختفي من جانب ويصدّ من الجانب الآخر، أو حتى يلتف إلى شكل دوّامة عند الطلب. تُظهر هذه الورقة كيف أن طبقة رقيقة مُسخّنة بالليزر مصنوعة من أنابيب الكربون النانوية يمكنها فعل ذلك تمامًا، فتشكّل نوعًا جديدًا من الأجهزة الصوتية حيث يتم موازنة خسارة وإضافة الطاقة للصوت بدقة. يفتح هذا العمل طرقًا لمستشعرات أكثر هدوءًا، وتصوير متقدّم، ودوائر صوتية مضغوطة تعالج المعلومات بطرق لا تستطيع السماعات والميكروفونات التقليدية تحقيقها.

لماذا تهم موازنة الخسارة والكسب

في كثير من الأنظمة الفيزيائية، بما في ذلك تلك التي تتعامل مع الضوء والصوت، يتسرب الطاقة عادةً إلى الخارج. لكن في العقود الأخيرة اكتشف الباحثون أنه إذا ما وُزِنت خسارة الطاقة بعناية مع كسب للطاقة، تظهر سلوكيات غريبة ومفيدة. تُعرَف هذه الأنظمة بغير الهيرميتية، ويمكن أن تصل إلى نقاط تشغيل خاصة حيث تتصرف الموجات بطرق غير مألوفة—على سبيل المثال، حيث يكون الجسم غير مرئي من جهة لكن عاكس من الجهة الأخرى، أو حيث تؤدي تغييرات صغيرة في الظروف إلى استجابات هائلة. حتى الآن، كان من الصعب تحقيق هذه التأثيرات للصوت، خصوصًا عند محاولة دمج سلوكين مرايايين يسمىان تناظر PT وتناظر مضاد PT داخل نفس الجهاز الصوتي.

أنابيب نانوية مسخنة بالليزر كمصدر صوتي «خفي»

الابتكار الرئيسي في هذا العمل هو طريقة لتوفير تكبير مسيطر عليه للصوت دون أجهزة ميكانيكية ضخمة. يستخدم الباحثون الثرموأكوستيك المستحث بالليزر: نبضات ليزر قصيرة تسخّن طبقة فائقة الرقة من أنابيب الكربون النانوية بسرعة تجعل الهواء المحيط يتمدد ويطلق موجات صوتية. وبما أن الغشاء رقيق للغاية، فهو يكاد يكون غير مرئي لموجات الصوت المارة عندما يكون الليزر متوقفًا، مما يسمح للصوت بالمرور دون إزعاج تقريبًا. عندما يكون الليزر قيد التشغيل، يتصرف الغشاء كمصدر صوتي قابل للضبط، يضيف طاقة إلى المجال الصوتي. بدمج عنصر الكسب هذا مع إسفنج عادي ممتص داخل أنبوب ضيق يوجّه الصوت، يصنع الفريق لبنة مدمجة حيث يمكن ضبط الخسارة والكسب بدقة بالنسبة لبعضهما البعض.

تشكيل تشتت أحادي الاتجاه وثنائي الاتجاه

لفهم كيف يؤثر هذا العنصر الصغير في الصوت، يتتبع المؤلفون كيف تنعكس الموجات وتنتقل قادمة من أي من الجانبين. من خلال تغيير المسافة بين الإسفنج وغشاء النانوتيوب وتعديل كسب الليزر، يوجّهون النظام عبر عدة أنماط مميزة. في بعض الحالات، يمر الصوت القادم من الجانب الماص تقريبًا دون تأثر وبلا صدى، بينما يظل الصوت من الجهة المقابلة ينعكس بقوة. في إعداد ثانٍ، تُعكس الأدوار ويصبح الجانب «الخفي» هو الجانب الآخر. في إعداد آخر، تتساوى الانعكاسات من كلا الجانبين لكنها تكون مراية في الطور، ويكون الصوت المنقول حقيقيًا ونفسه في كلا الاتجاهين. تتوافق هذه الأنماط الثلاثة مع أنواع مختلفة من انتقالات الطور غير الهيرميتية، بما في ذلك حالة مضاد PT النادرة، وتُحدَّد بواسطة نقاط تشغيل خاصة تُعرف بالنقاط الاستثنائية.

حزم دوّارة وصوت ملتف

بعيدًا عن الموجات المستوية المباشرة، يصمم الفريق أيضًا حزم صوتية تحمل زخمًا زاويًا مداريًا—ما يُسمى حزم الدوامة الصوتية، التي يلتف نمط الضغط فيها حول نواة مركزية مثل إعصار صغير. ينشئون هذه الحزم عن طريق تدوير بقعة الليزر عبر غشاء النانوتيوب، بحيث يتتبع الجزء الساخن والمصدر الصوتي دائرة أسرع بكثير من انتشار الحرارة. تنتج هذه الطريقة المتواصلة والبدون تلامس حزم دوامية نظيفة ومستقرة داخل أنبوب أسطواني. عندما تمر هذه الحزم الدوّارة عبر نفس لبنة الخسارة–الكسب عند نقطة تشغيل مختارة بعناية، يمكن للنظام قلب «التواء» الحزمة، معكوسًا شحنتها الطوبولوجية، ويمكنه أن يفعل ذلك بشكل مختلف اعتمادًا على ما إذا كانت الحزمة قادمة من جانب الخسارة أو جانب الكسب.

من فيزياء غريبة إلى أجهزة صوتية مستقبلية

بعبارات عامة، يُظهر هذا البحث كيف يمكن لطبقة تقارب أن تكون غير مرئية ويقودها الليزر مع قطعة إسفنج بسيطة أن تُجْمَع لجعل الصوت يتصرف بطرق انتقائية واتجاهية للغاية—أحيانًا يمر بحرية، وأحيانًا ينعكس، وأحيانًا يلتف، وكل ذلك يتحكم فيه الضوء. من خلال توحيد سلوكيات PT ومضاد PT في منصة صوتية واحدة وتوسيعها لتشمل الحزم المهيكلة، يقدم العمل وصفة مرنة لأجهزة الصوت من الجيل القادم. قد تشمل هذه مستشعرات فائقة الحساسية، رقائق صوتية مدمجة، ومكوّنات صوت طوبولوجية توجّه أو ترشّح الصوت والموجات فوق الصوتية بطرق لا تستطيع السماعات والميكروفونات التقليدية تحقيقها.

الاستشهاد: Zhang, H., Fan, R., Xiong, W. et al. Experimental observation of non-Hermitian phase transitions using laser-induced thermoacoustics. Nat Commun 17, 3236 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69986-w

الكلمات المفتاحية: الثرموأكوستيك المستحث بالليزر, الصوتيات غير الهيرميتية, تناظر البارتي-الزمن, حزم الدوامة الصوتية, غشاء نانوتيوب الكربون