A transmissão perfeita de som através de uma barreira é difícil de conseguir, se não impossível com base em nosso conhecimento existente. Isso também é verdade com outras formas de energia, como luz e calor.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Xiang Zhang, Presidente da Universidade de Hong Kong (HKU) quando era professor na Universidade da Califórnia, Berkeley, (UC Berkeley) provou experimentalmente pela primeira vez uma teoria quântica centenária de que as partículas relativísticas podem passar por uma barreira com 100% de transmissão. Os resultados da pesquisa foram publicados na principal revista acadêmica Ciência .

Da mesma forma que seria difícil para nós pular um muro alto e grosso sem energia suficiente acumulada. Em contraste, está previsto que uma partícula microscópica no mundo quântico pode passar por uma barreira muito além de sua energia, independentemente da altura ou largura da barreira, como se fosse "transparente".

Já em 1929, o físico teórico Oscar Klein propôs que uma partícula relativística pode penetrar uma barreira potencial com 100% de transmissão sobre a incidência normal na barreira. Os cientistas chamaram esse fenômeno exótico e contra-intuitivo de teoria do "tunelamento de Klein". Nos próximos 100 anos ímpares, cientistas tentaram várias abordagens para testar experimentalmente o tunelamento de Klein, mas as tentativas foram malsucedidas e ainda faltam evidências experimentais diretas.

A equipe do professor Zhang conduziu o experimento em cristais fonônicos projetados artificialmente com estrutura triangular. As propriedades de dispersão linear da rede tornam possível imitar a quase-partícula de Dirac relativística por excitação sonora, o que levou à observação experimental bem-sucedida do túnel de Klein.

"Esta é uma descoberta empolgante. Os físicos quânticos sempre tentaram observar o tunelamento de Klein em experimentos com partículas elementares, mas é uma tarefa muito difícil. Projetamos um cristal fonônico semelhante ao grafeno que pode excitar as quase-partículas relativísticas, mas ao contrário do material natural de grafeno, a geometria do cristal fonônico artificial pode ser ajustada livremente para atingir com precisão as condições ideais que tornaram possível a primeira observação direta do tunelamento de Klein, "disse o professor Zhang.

A conquista não representa apenas um avanço na física fundamental, mas também apresenta uma nova plataforma para explorar sistemas emergentes em macroescala a serem usados ​​em aplicações como dispositivos lógicos on-chip para manipulação de som, processamento de sinal acústico, e captação de energia sólida.

"Nas comunicações acústicas atuais, a perda de transmissão de energia acústica na interface é inevitável. Se a transmitância na interface puder ser aumentada para quase 100%, a eficiência das comunicações acústicas pode ser bastante melhorada, abrindo assim aplicações de ponta. Isso é especialmente importante quando a superfície ou a interface desempenham um papel em dificultar a detecção acústica de precisão, como a exploração subaquática. A medição experimental também é propícia para o desenvolvimento futuro do estudo de quasipartículas com propriedade topológica em cristais fonônicos que podem ser difíceis de realizar em outros sistemas, "disse o Dr. Xue Jiang, um ex-membro da equipe de Zhang e atualmente um Pesquisador Associado do Departamento de Engenharia Eletrônica da Universidade Fudan.

Dr. Jiang apontou que os resultados da pesquisa também podem beneficiar os dispositivos biomédicos. Pode ajudar a melhorar a precisão da penetração do ultrassom através de obstáculos e alcançar alvos designados, como tecidos ou órgãos, o que poderia melhorar a precisão do ultrassom para um melhor diagnóstico e tratamento.

Com base nas experiências atuais, os pesquisadores podem controlar a massa e a dispersão da quasipartícula excitando os cristais fonônicos com frequências diferentes, alcançando assim uma configuração experimental flexível e controle liga / desliga do tunelamento de Klein. Esta abordagem pode ser estendida a outras estruturas artificiais para o estudo de óptica e termótica. Permite o controle sem precedentes de quasipartícula ou frente de onda, e contribui para a exploração de outros fenômenos físicos quânticos complexos.