Forschungsteam schlägt neuartigen akustischen Kristall mit sanften, kontinuierlichen Änderungen der elastischen Eigenschaften vor

Im Dunkeln kann eine Katze viel besser sehen als Sie, genau wie Hunde und nachtaktive Tiere. Dies liegt daran, dass die Struktur des Katzenauges ein Tapetum lucidum umfasst, eine spiegelartige Schicht, die sich unmittelbar hinter der Netzhaut befindet. Licht, das in das Auge gelangt und nicht von der Linse auf die Netzhaut fokussiert wird, wird vom Tapetum lucidum reflektiert, wo die Netzhaut eine weitere Chance hat, das Licht zu empfangen, zu verarbeiten und Impulse an den Sehnerv zu senden.

Optiker nennen dies einen photonischen Kristall. Für eine Katze sind dies periodische parallele Stäbe: Sie enthalten photonische Bandlücken, die zur Modifizierung des Lichtflusses verwendet werden, ähnlich wie elektronische Bandlücken in Halbleitern, bei denen es sich um Energiebereiche handelt, in denen kein elektronischer Energiezustand existiert. Diese Materialien weisen Veränderungen in ihrem Brechungsindex auf und verändern und lenken so die Lichtausbreitung um.

Ein weiteres Beispiel sind reflektierende Markierungen auf Autobahnen, die nachts dank der Scheinwerfer eines Autos leuchten. Photonische Kristalle wie diese werden über Schichten dünner Filme mithilfe von Fotolithographie, Lochbohren, Laserschreiben und anderen Techniken hergestellt.

Photonische Kristalle verhindern, dass Licht bestimmter Frequenzen in den Teilen des Kristallmediums eindringt, die das Licht durchdringt. Gemäß der wissenschaftlichen Definition haben diese Kristalle unterschiedliche periodische Bereiche mit jeweils einer periodischen Dielektrizitätskonstante.

Ein Dielektrikum ist ein elektrisch isolierendes Material ohne freie Elektronen oder Atome, das dem Elektronenfluss entgegenwirkt, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Stattdessen polarisiert ein dielektrisches Material, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, wobei alle Moleküle in die gleiche Richtung zeigen. Destilliertes Wasser (gereinigtes Wasser, das keine Mineralien enthält) ist ein dielektrisches Material, genau wie Glas, Porzellan, trockene Luft, Papier und viele andere Materialien. Dielektrika werden in Kondensatoren, Flüssigkristallanzeigen und anderen Geräten verwendet.

In Erweiterung dieses Konzepts sind „funktionale photonische Kristalle“ Materialien, die eine sanfte, kontinuierliche Änderung des Brechungsindex anstelle einer scharfen, ausgeprägten Periodizität aufweisen. Dies ermöglicht eine schnelle elektronische Steuerung der Eigenschaften eines Materials.

Die gleichen Konzepte gibt es für phononische Kristalle. Phononen sind quantisierte Schallwellen, ebenso wie Photonen quantisierte Lichtwellen. Ein phononischer Kristall ist ein Feststoff, dessen Eigenschaften sich ständig ändern, wodurch eine Bandlücke für photonische Energien entsteht. Künstliche Strukturen mit periodischer Variation elastischer Parameter können die Ausbreitung elastischer Wellen manipulieren.

Nun schlägt ein Team unter der Leitung von David Röhlig von der Technischen Universität Chemnitz in Deutschland vor, funktionelle phononische Kristalle mit sanften, kontinuierlichen Änderungen der elastischen Eigenschaften anstelle strenger periodischer Variationen zu schaffen. Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Europhysische Briefe.

Der Brechungsindex des Schalls würde sich innerhalb des Ausbreitungsmediums kontinuierlich ändern, anstelle von Sprungfunktionsdiskontinuitäten. In der Natur sind diese Stoffe für die Ausbreitung langwelliger Schallwellen im Wasser und gekrümmter Schallwellen in der unteren Atmosphäre verantwortlich.

Mithilfe leistungsstarker Computersimulationen konzentrierte sich das Team darauf, die Auswirkung einer geringfügigen Abweichung der Materialeigenschaften von der typischen Diskontinuität der Stufenfunktion auf die Zustandsdichte der Phononen zu verstehen.

Ihre Ergebnisse waren überraschend: Selbst kleine Abweichungen von der idealen Stufenfunktion eines Materials können große und radikale Veränderungen in der Struktur des Phononbandes verursachen. Dies würde zur Entstehung vieler gewünschter Merkmale führen, wie etwa größere Phononenbandlücken und mehrere Phononenbandlücken.

Da sich die Phononenzustandsdichte bei kleinen Änderungen der Materialeigenschaften so schnell ändern kann, würden sich solche Eigenschaften beispielsweise bei der Herstellung phononischer Linsen in festen Materialien oder in Wasser oder für neue Geräte in den Materialwissenschaften, der angewandten Physik und der Technik als nützlich erweisen. .

„Unsere Ergebnisse eröffnen eine neue Perspektive auf phononische Strukturen“, sagte Röhlig, „und bieten einen zusätzlichen Weg, die Bildung von Bandlücken in bestimmten Geometrien zu induzieren, denen diese Eigenschaft fehlt.“ Röhlig stellt fest, dass die Zustandsdichte schnell konvergiert, wenn sich die Parameter der Stufenfunktion ändern, um kontinuierlicher zu werden, und stellt fest, dass die schnellen Änderungen potenzielle Herstellungsansätze rationalisieren würden.

„Wenn weitere Studien unsere Vorhersagen experimentell bestätigen können, könnten unsere Ergebnisse in der Mikrotechnik und Mechatronik für den Entwurf akustomechanischer Wandler und Aktoren Anwendung finden“, sagte er.

Sogar großräumige Umgebungen könnten gestaltet werden, „etwa durch die Anordnung von Bäumen oder anderen hölzernen Baueinheiten, [objects] die zur Verbesserung der Raumschalldämmung ein bekanntes oder speziell gestaltetes radial kontinuierliches Parameterprofil hinsichtlich Dichte und elastischen Eigenschaften aufweisen.

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