Ondas de galería de susurros

Las ondas de galería de susurros o modos de galería de susurros, son un tipo de onda que puede viajar alrededor de una superficie cóncava. Originalmente descubiertos 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, enfriamiento y detección, así como en astronomía.

Introducción

Las ondas de galería de susurros fueron explicadas por primera vez para el caso de la Catedral de San Pablo alrededor de 1878 por Lord Rayleigh, quien revisó una idea errónea anterior de que los susurros se podían escuchar a través de la cúpula pero no en ninguna posición intermedia. Explicó el fenómeno de los susurros viajeros con una serie de rayos de sonido reflejados especularmente que forman cuerdas de la galería circular. Aferrándose a las paredes, el sonido debería decaer en intensidad solo como el inverso de la distancia, en lugar del cuadrado inverso como en el caso de una fuente puntual de sonido que se irradia en todas las direcciones. Esto explica que los susurros sean audibles en toda la galería.

Rayleigh desarrolló teorías ondulatorias para St Paul's en 1910 y 1914. Colocar ondas sonoras dentro de una cavidad implica 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 órgano. El sonido forma patrones llamados modos, como se muestra en el diagrama.

Se ha demostrado que muchos otros monumentos exhiben ondas de galería de susurros, como el Gol Gumbaz en Bijapur y el Templo del Cielo en Beijing.

En la definición estricta de ondas de galería de susurros, no pueden existir cuando la superficie guía se vuelve recta. Matemáticamente esto corresponde al límite de un radio de curvatura infinito. Las ondas de la galería susurrante son guiadas por el efecto de la curvatura de la pared.

Ondas acústicas

Las ondas de galería de susurros para el sonido existen en una amplia variedad de sistemas. Los ejemplos incluyen las vibraciones de toda la Tierra o las estrellas.

Estas ondas acústicas de galería de susurros se pueden usar en pruebas no destructivas en forma de ondas que se deslizan alrededor de agujeros llenos de líquido, por ejemplo. También se han detectado en cilindros y esferas sólidos, con aplicaciones de detección, y se han visualizado en movimiento en discos microscópicos.

Las ondas de la galería susurrante se guían de manera más eficiente en esferas que en cilindros porque los efectos de la difracción acústica (propagación lateral de ondas) se compensan completamente.

Ondas electromagnéticas

Las ondas de galería susurrante existen para las ondas de luz. Se han producido en esferas de vidrio microscópicas o toros, por ejemplo, con aplicaciones en láser, enfriamiento optomecánico, generación de peines de frecuencia y detección. Las ondas de luz son guiadas casi perfectamente por la reflexión interna total óptica, lo que lleva a lograr factores Q superiores a 10. Esto es mucho mayor que los mejores valores, alrededor de 10, que se pueden obtener de manera similar en acústica.Los modos ópticos en un resonador de galería susurrante son inherentemente con pérdida 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. Dicho canal de pérdida se conoce a partir de la investigación sobre la teoría de la guía de ondas ópticas y se denomina atenuación de rayos de efecto túnel 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 superficial como a la absorción de las ondas en el medio que forma la galería. Se han investigado ondas de luz de galería susurrante en galerías caóticas, cuyas secciones transversales se desvían de un círculo. Y tales ondas se han utilizado en aplicaciones de información cuántica.

También se han demostrado ondas de galería de susurros para otras ondas electromagnéticas, como ondas de radio, microondas, radiación de terahercios, radiación infrarroja, ondas ultravioleta y rayos X. Más recientemente, con el rápido desarrollo de las tecnologías de microfluidos, han surgido muchos sensores de modo de galería de susurros integrados, al combinar la portabilidad de los dispositivos de laboratorio en chip y la alta sensibilidad de los resonadores de modo de galería de susurros. 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.

Otros sistemas

Las ondas de galería susurrante se han visto en forma de ondas de materia para neutrones y electrones, y se han propuesto como una explicación de las vibraciones de un solo núcleo. También se han observado ondas de galería susurrante en las vibraciones de las películas de jabón, así como en las vibraciones de placas delgadas. También existen analogías de las ondas de galería susurrante para las ondas gravitacionales en el horizonte de sucesos de los agujeros negros. Se ha demostrado un híbrido de ondas de luz y electrones conocido como plasmones de superficie en forma de ondas de galería susurrante, y lo mismo ocurre con los polaritones de excitón en los semiconductores. También se han creado galerías que contienen ondas de galería de susurros tanto acústicas como ópticas,mostrando un acoplamiento de modos muy fuerte y efectos coherentes. También se han observado estructuras híbridas de galería de susurros óptico-líquido-sólido.