Las ondas de galería susurrante , o los modos de galería susurrante , son un tipo de onda que puede viajar alrededor de una superficie cóncava. Descubiertos originalmente para las ondas sonoras en la galería susurrante de la Catedral de San Pablo , pueden existir para la luz y para otras ondas, con importantes aplicaciones en pruebas no destructivas , láser , enfriamiento y detección , así como en astronomía .
Introducción
Las ondas de susurros de galería fueron explicadas por primera vez para el caso de la Catedral de San Pablo alrededor de 1878 [3] por Lord Rayleigh , quien revisó una idea errónea anterior [4] [5] de que se podían escuchar susurros a través de la cúpula pero no en una posición intermedia. Explicó el fenómeno de los susurros que viajan con una serie de rayos de sonido reflejados de forma especular que forman los acordes de la galería circular. Aferrándose a las paredes, el sonido debería decaer en intensidad solo como la inversa de la distancia, en lugar del cuadrado inverso como en el caso de una fuente puntual de sonido que irradia en todas direcciones. Esto explica que los susurros sean audibles en toda la galería.
Rayleigh desarrolló teorías de ondas para St. Paul en 1910 [6] y 1914. [7] La instalación de ondas sonoras dentro de una cavidad implica la física de la resonancia basada en la interferencia de ondas ; el sonido sólo puede existir en ciertos tonos como en el caso de los tubos de órgano . El sonido forma patrones llamados modos , como se muestra en el diagrama. [1]
Se ha mostrado [8] que muchos otros monumentos exhiben ondas de galería susurrantes, como el Gol Gumbaz en Bijapur y el Templo del Cielo en Beijing.
En la definición estricta de ondas de galería susurrante, no pueden existir cuando la superficie guía se vuelve recta. [9] Matemáticamente, esto corresponde al límite de un radio de curvatura infinito. Las ondas de la galería susurrante se guían por el efecto de la curvatura de la pared.
Ondas acústicas
Las ondas de galería susurrante para el sonido existen en una amplia variedad de sistemas. Los ejemplos incluyen las vibraciones de toda la Tierra [10] o las estrellas . [11]
Estas ondas acústicas de susurro en galería se pueden utilizar en pruebas no destructivas en forma de ondas que se arrastran alrededor de los agujeros llenos de líquido, [12] por ejemplo. También se han detectado en cilindros sólidos [13] y esferas, [14] con aplicaciones en la detección , y se han visualizado en movimiento en discos microscópicos. [2] [15]
Las ondas de galería susurrantes se guían de manera más eficiente en esferas que en cilindros porque los efectos de la difracción acústica (propagación de ondas laterales) se compensan completamente. [dieciséis]
Ondas electromagnéticas
Las ondas de galería susurrante existen para las ondas de luz. [18] [19] [20] Se han producido en esferas de vidrio microscópicas o tori, [21] [22] por ejemplo, con aplicaciones en láser , [23] enfriamiento optomecánico , [24] generación de peines de frecuencia [25] y sintiendo . [26] Las ondas de luz son guiadas casi perfectamente por la reflexión interna total óptica , lo que lleva a que se alcancen factores Q superiores a 10 10 . [27] Esto es mucho mayor que los mejores valores, alrededor de 10 4 , que se pueden obtener de manera similar en acústica. [28] Los modos ópticos en un resonador de galería susurrante son inherentemente con pérdidas debido a un mecanismo similar al túnel cuántico . Como resultado, la luz dentro de un modo de galería susurrante experimenta un grado de pérdida de radiación incluso en condiciones teóricamente ideales. Este canal de pérdida se conoce a partir de la investigación sobre la teoría de guías de ondas ópticas y se denomina atenuación de rayos de efecto túnel [29] en el campo de la fibra óptica . El factor Q es proporcional al tiempo de caída de las ondas, que a su vez es inversamente proporcional tanto a la tasa de dispersión superficial como a la absorción de ondas en el medio que forma la galería. Se han investigado ondas susurrantes de luz en galerías en galerías caóticas , [30] [31] cuyas secciones transversales se desvían de un círculo. Y esas ondas se han utilizado en aplicaciones de información cuántica . [32]
Ondas susurrante-galería También se han demostrado para otras ondas electromagnéticas , tales como ondas de radio , [33] microondas , [34] la radiación de terahercios , [35] la radiación infrarroja , [36] ondas ultravioletas [37] y radiografías . [38] Más recientemente, con el rápido desarrollo de las tecnologías de microfluidos, han surgido muchos sensores integrados en modo galería susurrante, al combinar la portabilidad de los dispositivos de laboratorio en chip y la alta sensibilidad de los resonadores en modo galería susurrante. [39] [40] Las capacidades de manejo eficiente de muestras y detección de analitos multiplexados que ofrecen estos sistemas han dado lugar a muchas aplicaciones de detección biológica y química, especialmente para la detección de una sola partícula o biomolécula. [41] [42]
Otros sistemas
Las ondas en galería susurrantes se han visto en forma de ondas de materia para neutrones , [43] y electrones, [44] y se han propuesto como una explicación de las vibraciones de un solo núcleo . [45] También se han observado ondas en galería susurrantes en las vibraciones de películas de jabón, así como en las vibraciones de placas delgadas. [46] También existen analogías de ondas en galería susurrantes para las ondas gravitacionales en el horizonte de sucesos de los agujeros negros . [1] Se ha demostrado un híbrido de ondas de luz y electrones conocido como plasmones de superficie en forma de ondas en galería susurrantes, [47] y también para excitones - polaritones en semiconductores . [48] También se han creado galerías que contienen simultáneamente ondas de galería susurrantes tanto acústicas como ópticas, [49] que exhiben un acoplamiento de modos muy fuerte y efectos coherentes. [50] También se han observado estructuras híbridas de galería susurrante sólido-fluido-óptico. [51]
Ver también
- Galería susurrante
- Resonador de anillo óptico
- Resonador
- Acústica arquitectónica
Referencias
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enlaces externos
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- Armani Lab, Universidad del Sur de California
- Baba Lab, Universidad Nacional de Yokohama
- Grupo Capasso, Universidad de Harvard
- Grupo Coherente de Microóptica y Radiofotónica, RQC
- Laboratorio Gong Qihuang, Universidad de Beijing
- Grupo de Óptica Resonante, Centro Dodd-Walls, Universidad de Otago
- Laboratorio de investigación Hui Cao, Universidad de Yale
- Grupo de ciencia y tecnología cuántica de JPL
- Kyungwon An Laboratory, Universidad Nacional de Seúl
- Laboratorio de Fotónica y Medidas Cuánticas K-Lab, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)
- Laboratorio Lan Yang, Universidad de Washington en St. Louis
- Grupo de microóptica y caos cuántico, Universidad de Oregon
- Laboratorio de fotofísica de micropartículas de Arnold para biofotónica
- El Grupo de Investigación de Dinámica de Aerosoles, Universidad de Bristol .
- Grupo de Investigación de Vahala, Instituto de Tecnología de California
- Laboratorio Vollmer de Biofotónica y Biosensores
- Laboratorio de amplificadores ópticos y láseres ultrarrápidos, IIT Madras, India
- Laboratorio Yamanaka, Universidad de Tohoku
- Laboratorio de Yong-Hee Lee, KAIST