Onda de galeria sussurrante - Whispering-gallery wave

Ondas de galeria sussurrante , ou modos de galeria sussurrante , são um tipo de onda que pode viajar em torno de uma superfície côncava. Originalmente descoberto por som das ondas na galeria de sussurros da Catedral de São Paulo , eles podem existir para a luz e para outras ondas, com importantes aplicações em ensaios não destrutivos , de laser , de refrigeração e detecção , bem como em astronomia .

Introdução

Instantâneo de um modo de galeria de sussurros acústico calculado a uma frequência de 69 Hz em um cilindro fechado de ar do mesmo diâmetro (33,7 m) que a galeria de sussurros na Catedral de São Paulo. Vermelho e azul representam pressões de ar mais altas e mais baixas, respectivamente, e as distorções nas linhas da grade mostram os deslocamentos. No caso das ondas que viajam em uma direção ao redor da galeria, as partículas de ar se movem em trajetórias elípticas.

As ondas da galeria de sussurros foram explicadas pela primeira vez para o caso da Catedral de São Paulo por volta de 1878 por Lord Rayleigh , que revisou um equívoco anterior de que sussurros podiam ser ouvidos através da cúpula, mas não em qualquer posição intermediária. Ele explicou o fenômeno dos sussurros viajantes com uma série de raios sonoros refletidos especularmente formando acordes da galeria circular. Preso às paredes, o som deve diminuir de intensidade apenas como o inverso da distância - ao invés do quadrado inverso como no caso de uma fonte pontual de som irradiando em todas as direções. Isso explica os sussurros sendo ouvidos por toda a galeria.

Rayleigh desenvolveu teorias de ondas para St Paul's em 1910 e 1914. O ajuste de ondas sonoras dentro de uma cavidade envolve a física da ressonância baseada na interferência das ondas ; o som pode existir apenas em certos tons, como no caso de tubos de órgão . O som forma padrões chamados modos , conforme mostrado no diagrama.

Muitos outros monumentos foram mostrados exibindo ondas de galerias sussurrantes, como o Gol Gumbaz em Bijapur e o Templo do Céu em Pequim.

Na definição estrita de ondas de galeria sussurrante, elas não podem existir quando a superfície guia se torna reta. Matematicamente, isso corresponde ao limite de um raio de curvatura infinito. As ondas da galeria sussurrante são guiadas pelo efeito da curvatura da parede.

Ondas acústicas

Ondas de galeria sussurrantes para som existem em uma ampla variedade de sistemas. Os exemplos incluem as vibrações de toda a Terra ou das estrelas .

Essas ondas acústicas de galeria sussurrante podem ser usadas em testes não destrutivos na forma de ondas que rastejam em torno de buracos cheios de líquido, por exemplo. Eles também foram detectados em cilindros sólidos e esferas, com aplicações em detecção , e visualizados em movimento em discos microscópicos.

Ondas de galeria sussurrantes são mais eficientemente guiadas em esferas do que em cilindros porque os efeitos da difração acústica (propagação da onda lateral) são então completamente compensados.

Ondas eletromagnéticas

Modos ópticos de galeria de sussurros em uma esfera de vidro de 300 μm de diâmetro imageada experimentalmente com uma técnica de fluorescência . A ponta de uma fibra óptica de corte angular , visível à direita, excita os modos na região vermelha do espectro óptico.

As ondas da galeria sussurrante existem para as ondas de luz. Eles foram produzidos em esferas de vidro microscópicas ou toros, por exemplo, com aplicações em lasing , resfriamento optomecânico , geração de pente de frequência e sensoriamento . As ondas de luz são quase perfeitamente guiadas pela reflexão interna ótica total , levando a fatores Q em excesso de 10 10 sendo alcançados. Isso é muito maior do que os melhores valores, cerca de 10 4 , que podem ser obtidos de forma semelhante em acústica. Os modos ópticos em um ressonador de galeria sussurrante são inerentemente com perdas devido a um mecanismo semelhante ao tunelamento quântico . Como resultado, a luz dentro de um modo de galeria sussurrante experimenta um grau de perda de radiação, mesmo em condições teoricamente ideais. Tal canal de perda é conhecido a partir de pesquisas sobre a teoria de guia de onda óptico e é denominado atenuação de raio de tunelamento no campo da fibra óptica . O fator Q é proporcional ao tempo de decaimento das ondas, que por sua vez é inversamente proporcional à taxa de espalhamento da superfície e à absorção das ondas no meio que compõe a galeria. Ondas de galeria sussurrantes em busca de luz foram investigadas em galerias caóticas , cujas seções transversais se desviam de um círculo. E essas ondas têm sido usadas em aplicações de informações quânticas .

Ondas de galeria sussurrante também foram demonstradas para outras ondas eletromagnéticas , como ondas de rádio , microondas , radiação terahertz , radiação infravermelha , ondas ultravioleta e raios-x . Mais recentemente, com o rápido desenvolvimento de tecnologias microfluídicas, surgiram muitos sensores integrados de modo de galeria de sussurro, combinando a portabilidade de dispositivos de laboratório em chip e a alta sensibilidade de ressonadores de modo de galeria de sussurro. As capacidades de manuseio eficiente de amostras e detecção multiplexada de analitos oferecidas por esses sistemas levaram a muitas aplicações de sensoriamento biológico e químico, especialmente para a detecção de uma única partícula ou biomolécula.

Outros sistemas

Ondas de galeria sussurrante foram vistas na forma de ondas de matéria para nêutrons e elétrons, e foram propostas como uma explicação para as vibrações de um único núcleo . Ondas de galerias sussurrantes também foram observadas nas vibrações de filmes de sabão, bem como nas vibrações de placas finas. Analogias de ondas de galerias sussurrantes também existem para ondas gravitacionais no horizonte de eventos de buracos negros . Um híbrido de ondas de luz e elétrons conhecido como plasmons de superfície foi demonstrado na forma de ondas de galeria sussurrante, e da mesma forma para excitons - polaritons em semicondutores . Galerias contendo simultaneamente ondas de galeria sussurrantes acústicas e ópticas também foram feitas, exibindo acoplamento de modo muito forte e efeitos coerentes. Também foram observadas estruturas híbridas de galeria de sussurros ópticos-sólido-sólido.

Veja também

Referências

links externos