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中国、フランス、日本の共同研究によって、私たちは小さな膜の中の音波を可視化しました。これは、膜にそった２次元方向内で特定の周波数の波が定位置にとどまる現象で、いわゆるゼロ群速度波と呼ばれます。
石を池に投げ入れると、波束と呼ばれる波紋の輪が広がり、外側に向かって進みます。しかし、もし石を投げ入れても、限られた領域内で水が振動するだけで広がっていかないということはあるでしょうか？明らかにこれは不可能でしょう。
広がらない水の波は不可能です！
しかし、板状の材料内の波紋の場合には、これは普通のことです。正しい周波数を選択した場合、広がっていかない局在する波束を励起することができます。このことは、100年以上前の1917年に物理学者のホレス・ラムが最初にこの効果を予測してからから知られていましたが、そのような波は二次元でイメージングされたことは一度もありませんでした。
金属薄膜が張られた3 mm角の厚さがわずか2/1000 mmの窒化ケイ素の板において、 ギガヘルツ（1000,000,000サイクル/秒）領域の精密な超音波周波数制御を伴う超高速レーザー 技術を用いて、我々はゼロ群速度の波紋を画像化しました。ラムによって予測されたように、波紋は上下に動揺しますが、広がることはありません。 我々は、観察結果がラムの理論に予想通りに当てはまることを示しました。下の右側のアニメーションでこの広がらない波を見ることができます。左側は外に広がる通常の波です。
膜上の50ミクロン四方領域の実験で測定した波紋。左：外に広がる通常の波。右：空間内に留まるゼロ群速度波。
このような波をイメージングすることは、ナノ構造に機械的な欠陥がないことを評価し定量化するための新たな方法をもたらすと期待されます。
より詳しくは、 'Imaging zero-group-velocity gigahertz Lamb waves' Q. Xie et al., Nat. Commun. 10, 2228 (2019).をご覧ください。