🔊 Lewitacja akustyczna: fale stojące i siła promieniowania

Nie — samo ciśnienie promieniowania nie może wytworzyć stabilnej pułapki. To, co uwięzia kulkę, to akustyczna siła promieniowania — niewielki, nieliniowy efekt drugiego rzędu opisany przez potencjał Gor'kova, zależny od przestrzennego gradientu uśrednionych w czasie pól ciśnienia i prędkości, a nie od chwilowego pchnięcia fali.

Dla cząstki gęstszej i mniej ściśliwej niż otaczające powietrze — co dotyczy kulek polistyrenowych i kropel wody — potencjał Gor'kova ma minimum energii w węźle ciśnienia (który jest jednocześnie strzałką prędkości), więc to tam kulka jest stabilna. Bardzo lekkie, silnie ściśliwe obiekty, jak pęcherzyki w cieczy, mogą zachowywać się odwrotnie.

Dwie spójne fale poruszające się w przeciwnych kierunkach interferują, tworząc falę stojącą, której amplituda ciśnienia wynosi zero co pół długości fali (λ/2) — ten rozstaw wynika bezpośrednio z warunku interferencji i nie zależy od odstępu między przetwornikami, a jedynie od częstotliwości.

Wyższa częstotliwość oznacza krótszą długość fali, więc płaszczyzny węzłów są rozmieszczone gęściej i więcej z nich mieści się w tym samym odstępie między przetwornikami — więcej płaszczyzn węzłów oznacza więcej niezależnych, stabilnych miejsc uwięzienia między zestawami.

Siła promieniowania Gor'kova skaluje się z objętością cząstki, czyli z sześcianem jej promienia, podczas gdy grawitacja (jej ciężar) również skaluje się z objętością — ale człon akustyczny niesie dodatkowo czynnik zależny od stosunku rozmiaru do długości fali, więc sztywność pułapki gwałtownie spada dla kulek, które nie są małe w porównaniu z długością fali.

Lewitacja akustyczna umożliwia bezkontaktowe przetwarzanie materiałów, które zostałyby zanieczyszczone przez dotknięcie pojemnika, bezdotykową manipulację komórkami i kroplami w badaniach biomedycznych, a także — poprzez otwartoźródłowe zestawy takie jak TinyLev — hobbystyczne eksperymenty z unoszeniem małych kropli wody, kulek piankowych i owadów.

Prawdziwe przetworniki oscylują 20 000-60 000 razy na sekundę — o wiele za szybko, by jakikolwiek ekran mógł to renderować klatka po klatce. Pulsowanie tutaj jest celowo spowolnione wyłącznie po to, by uwidocznić kształt fali stojącej; rzeczywista siła uwięzienia zależy tylko od pola uśrednionego w czasie, które nie "wie", jak szybko animujemy.

Prawdziwe lewitatory (w tym TinyLev) używają zakrzywionych lub fazowanych zestawów, które ogniskują wiązkę i tworzą prawdziwą trójwymiarową studnię potencjału. Ta symulacja używa płaskich, przeciwstawnych zestawów, więc ograniczenie boczne jest przybliżone uproszczonym członem przywracającym, a nie w pełni wyprowadzonym trójwymiarowym polem Gor'kova — zaznaczamy to tutaj dla przejrzystości.