Forskere opdager et metamateriale med iboende robust lydtransport

Forskere ved Advanced Science Research Center (ASRC) ved The Graduate Center ved City University of New York og ved City College of New York (CCNY) har udviklet et metamateriale, der kan transportere lyd på usædvanligt robuste måder langs kanterne og lokalisere det i sine hjørner.

Ifølge et nyt papir, der blev offentliggjort i dag i Naturmaterialer , det nyudviklede materiale skaber en robust akustisk struktur, der på usædvanlige måder kan styre spredning og lokalisering af lyd, selv når der er fabrikationsfejl. Denne unikke ejendom kan forbedre teknologier, der bruger lydbølger, såsom sonarer og ultralydsapparater, gør dem mere modstandsdygtige over for fejl.

Forskningen er et samarbejde mellem laboratorierne af Alexander Khanikaev, en professor i elektroteknik og fysik afdelinger på CCNY, der også er tilknyttet ASRC, og af Andrea Alù, direktør for ASRC's Photonics Initiative. Deres fremskridt er baseret på arbejde, der bragte et matematikfelt kaldet topologi ind i den materialevidenskabelige verden. Topologi studerer egenskaber ved et objekt, der ikke påvirkes af kontinuerlige deformationer. For eksempel, en doughnut svarer topologisk til et halm af plast, da de begge har et hul. Den ene kunne støbes ind i den anden ved at strække og deformere objektet, og uden at rive det eller tilføje nye huller.

Ved hjælp af topologiske principper, forskere forudsagde og opdagede senere topologiske isolatorer - specielle materialer, der kun leder elektriske strømme på deres kanter, ikke i hovedparten. Deres usædvanlige ledningsegenskaber stammer fra topologien i deres elektroniske båndgab, og de er derfor usædvanligt modstandsdygtige over for kontinuerlige ændringer, såsom uorden, støj eller ufuldkommenheder.

"Der har været stor interesse i at forsøge at udvide disse ideer fra elektriske strømme til andre former for signaltransport, især inden for områderne topologisk fotonik og topologisk akustik "Alù siger." Det, vi gør, er at bygge specielle akustiske materialer, der kan guide og lokalisere lyd på meget usædvanlige måder. "

For at designe deres nye akustiske metamateriale, teamet 3D-printet en række små trimere, arrangeret og forbundet i et trekantet gitter. Hver trimerenhed bestod af tre akustiske resonatorer. Trimerernes rotationssymmetri, og den generaliserede kirale symmetri af gitteret, gav strukturen unikke akustiske egenskaber, der stammer fra topologien i deres akustiske bandgap.

Resonatorernes akustiske tilstande hybridiserede, giver anledning til en akustisk båndstruktur for hele objektet. Som resultat, når lyd afspilles ved frekvenser uden for båndgabet kan den forplante sig gennem hovedparten af ​​materialet. Men når der afspilles lyd ved frekvenser inde i båndgabet, den kan kun bevæge sig langs trekantens kanter eller være lokaliseret i dens hjørner. Denne ejendom, Alù siger, er ikke påvirket af uorden eller fabrikationsfejl.

"Du kan helt fjerne et hjørne, og hvad der er tilbage, vil danne gitterets nye hjørne, og det vil stadig fungere på en lignende måde, på grund af robustheden af ​​disse egenskaber, "Sagde Alù

For at bryde disse egenskaber, forskere måtte reducere materialets symmetri ved, for eksempel, ændring af koblingen mellem resonatorenheder, som ændrer topologien i båndstrukturen og dermed ændrer materialets egenskaber.

"Vi har været de første til at bygge et topologisk metamateriale til lyd, der understøtter forskellige former for topologisk lokalisering, langs kanterne og i hjørnerne. ", Sagde Khanikaev. "Vi demonstrerede også, at avancerede fremstillingsteknikker baseret på 3D-trykte akustiske elementer kan realisere geometrier af vilkårlig kompleksitet i en enkel og fleksibel platform, åbner forstyrrende muligheder inden for akustiske materialer. Vi har for nylig arbejdet på endnu mere komplekse 3D-metamaterialedesign baseret på disse teknikker, som yderligere vil udvide egenskaberne for akustiske materialer og udvide mulighederne for akustiske apparater ".

"Vi viser, grundlæggende, at det er muligt at muliggøre nye former for sund transport, der er meget mere robuste end det, vi er vant til. Disse fund kan finde anvendelser i ultralydsbilleddannelse, undervandsakustik og ekkolodsteknologi, "Sagde Alù.