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Ola de galería susurrante

Imagen de un modo de galería de susurros acústicos calculado a una frecuencia de 69 Hz en un cilindro de aire cerrado del mismo diámetro (33,7 m) [1] que la galería de susurros de la catedral de San Pablo. El rojo y el azul representan presiones de aire más altas y más bajas, respectivamente, y las distorsiones en las líneas de la cuadrícula muestran los desplazamientos. En el caso de las ondas que viajan en un sentido alrededor de la galería, las partículas de aire se mueven en trayectorias elípticas. [2]

Las ondas de galería susurrante , o modos de galería susurrante , son un tipo de onda que puede viajar alrededor de una superficie cóncava. Descubiertas originalmente para las ondas de sonido 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 , refrigeración y detección , así como en astronomía .

Introducción

Las ondas susurrantes de la galería fueron explicadas por primera vez para el caso de la Catedral de San Pablo alrededor de 1878 [3] por Lord Rayleigh , quien revisó un concepto erróneo previo [4] [5] de que los susurros podían escucharse a través de la cúpula pero no en ninguna posición intermedia. Explicó el fenómeno de los susurros que se desplazaban con una serie de rayos de sonido reflejados especularmente que formaban las cuerdas de la galería circular. Al adherirse a las paredes, el sonido debería decaer en intensidad solo como la inversa de la distancia, en lugar de como el cuadrado inverso como en el caso de una fuente puntual de sonido que irradia en todas las direcciones. Esto explica que los susurros sean audibles en toda la galería.

Rayleigh desarrolló teorías ondulatorias para la catedral de San Pablo en 1910 [6] y 1914 [7]. Para introducir ondas sonoras en una cavidad se utiliza la física de la resonancia basada en la interferencia de ondas ; el sonido solo puede existir en ciertos tonos, como en el caso de los tubos de un órgano . El sonido forma patrones llamados modos , como se muestra en el diagrama. [1]

Se ha demostrado [8] que muchos otros monumentos exhiben ondas de galería susurrante, 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 galería susurrante son guiadas por el efecto de la curvatura de la pared.

Ondas acústicas

Las ondas sonoras de galería susurrante existen en una amplia variedad de sistemas. Algunos ejemplos son las vibraciones de toda la Tierra [10] o de las estrellas [11] .

Estas ondas acústicas susurrantes se pueden utilizar en pruebas no destructivas en forma de ondas que se deslizan alrededor de agujeros llenos de líquido, [12] por ejemplo. También se han detectado en cilindros sólidos [13] y esferas [14] , con aplicaciones en detección , y se han visualizado en movimiento en discos microscópicos. [2] [15]

Las ondas susurrantes de la galería 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. [16]

Ondas electromagnéticas

Modos de galería de susurros ópticos en una esfera de vidrio de 300 μm de diámetro, obtenidos experimentalmente con una técnica de fluorescencia . La punta de una fibra óptica cortada en ángulo , visible a la derecha, excita los modos en la región roja del espectro óptico. [17]

Existen ondas de galería susurrante para las ondas de luz. [18] [19] [20] Se han producido en esferas de vidrio microscópicas o toros, [21] [22] por ejemplo, con aplicaciones en láser , [23] enfriamiento optomecánico , [24] generación de peine de frecuencia [25] y detección óptica . [26] Las ondas de luz son guiadas casi perfectamente por reflexión interna total , lo que lleva a lograr factores Q superiores a 10 10. [27] Esto es mucho mayor que los mejores valores, aproximadamente 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 efecto 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 tipo de canal de pérdida se conoce a partir de investigaciones 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 decaimiento de las ondas, que a su vez es inversamente proporcional tanto a la tasa de dispersión de la superficie como a la absorción de ondas en el medio que compone la galería. Las ondas de galería susurrante para la luz se han investigado en galerías caóticas [30] [31] cuyas secciones transversales se desvían de un círculo. Y dichas ondas se han utilizado en aplicaciones de información cuántica . [32]

Las ondas de galería susurrante también se han demostrado para otras ondas electromagnéticas como las ondas de radio , [33] microondas , [34] radiación de terahercios , [35] radiación infrarroja , [36] ondas ultravioleta [37] y rayos X. [38] Más recientemente, con el rápido desarrollo de las tecnologías microfluídicas, han surgido muchos sensores de modo de galería susurrante integrados, al combinar la portabilidad de los dispositivos de laboratorio en chip y la alta sensibilidad de los resonadores de modo de galería susurrante. [39] [40] Las capacidades de manejo eficiente de muestras y detección de analitos multiplexados que ofrecen estos sistemas han llevado a muchas aplicaciones de detección biológica y química, especialmente para la detección de partículas individuales o biomoléculas. [41] [42]

Otros sistemas

Las ondas de galería susurrante se han visto en forma de ondas de materia para neutrones , [43] y electrones, [44] y se han propuesto como una explicación para las vibraciones de un solo núcleo . [45] También se han observado ondas de galería susurrante en las vibraciones de películas de jabón, así como en las vibraciones de placas delgadas . [46] También existen analogías de las ondas de galería susurrante 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 de galería susurrante, [47] y lo mismo para excitones - polaritones en semiconductores . [48] También se han creado galerías que contienen simultáneamente ondas de galería susurrante acústicas y 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-óptica. [51]

Véase también

Referencias

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