Meta-spejl reflekterer lydbølger i alle retninger

Forskere ved Duke University og Aalto University (Finland) har konstrueret en "meta-spejl" enhed, der er i stand til perfekt at reflektere lydbølger i alle retninger. Bevis-of-princip demonstrationen er analog med at se direkte ind i et spejl og kun se personen ved siden af ​​dig i stedet for dit eget ansigt.

Forskningen udkom online den 15. februar i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

"Når du ser ind i et hverdagsspejl, lyset følger loven om refleksion:lyset skal hoppe af det i samme vinkel, som det kom ind i, " sagde Junfei Li, en ph.d.-studerende i elektro- og computerteknik ved Duke University. De samme regler gælder generelt for lyd, men "vi ville se, om vi i stedet kunne sende en bølge af sted i en anden retning."

At bryde loven om refleksion med lydbølger, forskerne skulle konstruere en enhed, der præcist kunne kontrollere amplitude (lydstyrke) og hastighed gennem hele bølgen, hvilket er endnu sværere end det lyder.

"En måde, vi kunne opnå dette på, er ved på magisk vis at lancere en præcist styret lydbølge, der 'slår' den indkommende lydbølge som bolde på et poolbord, " sagde Li. "Men at prøve at gøre det ville give så mange problemer, at det ikke er en praktisk idé."

I stedet for at ty til magi, Li og hans kolleger vendte sig mod metamaterialer - kunstige materialer, der manipulerer bølger som lys og lyd gennem deres struktur snarere end deres kemi. For eksempel, mens det særlige metamateriale, som forskerne har designet, er lavet af plastik, det er ikke plastikkens egenskaber, der er vigtige; det er formerne på enhedens funktioner, der gør det muligt for den at styre lydbølger i alle retninger.

Overfladen af ​​metamaterialet ligner en bølge selv, ætset med en række kanaler af forskellige dybder. Disse dybder er konstrueret til præcist at kontrollere hastigheden, hvormed lydbølgen reflekteres fra forskellige punkter i metaspejlet. Deres bølgelignende positionering styrer lydbølgens amplitude.

"Fordi en lydbølge bærer energi, du skal give den et kick for at omdirigere den, " sagde Steve Cummer, professor i elektro- og computerteknik ved Duke. "Men for at gøre dette perfekt, du skal enten aktivt omfordele energien langs overfladen af ​​meta-spejlet, hvilket ikke er muligt, eller du skal smart vælge en form, hvor energifordelingen ender med at være den samme overalt."

Når en lydbølge rammer metaspejlet, det reflekterer fra sine buede overflader og forstyrrer sig selv. Mellem metaspejlets form og dybden af ​​dets kanaler, dette interferensmønster resulterer i, at lydbølgen reflekteres i en ønsket retning, uden at nogen af ​​dens energi absorberes eller spredes i en uønsket retning.

I proof-of-concept-demonstrationen, metamaterialenheden tager en lydbølge, der rejser direkte mod den ved 3, 000 Hertz, en meget høj tonehøjde ikke ulig at få et "ringen for ørerne, " og reflekterer det perfekt i en vinkel på 70 grader.

Mens prototypenheden er specifikt skræddersyet til én frekvens og reflektionsvinkel, forskerne planlægger at forfølge en dynamisk enhed, der kunne ændre form for at afspejle forskellige frekvenser i forskellige retninger. De planlægger også at arbejde på lignende enheder til undervandsakustikapplikationer.

En lignende enhed kunne også skabes til at styre lysbølger, selvom dens funktioner skulle konstrueres i meget mindre skala, fordi lysets bølgelængder er kortere. En sådan enhed ville ikke kun være i stand til at reflektere lys i forskellige retninger, imidlertid, den kunne også opdele en enkelt bølge i to vilkårlige retninger.

"Ikke kun fandt vi ud af en måde at designe meget effektive metasurfaces på, vi kan også tilpasse designet til forskellige funktionaliteter, " sagde Ana Díaz-Rubio, en postdoc-forsker ved Aalto Universitet, der ledede arbejdet med projektets bagvedliggende teori. "Disse metasurfaces er en alsidig platform til vilkårlig kontrol af refleksion."