Forskere skaber mekanismer til præcist at kontrollere lydbølger i metamaterialer

University of Oregon fysikere har udviklet en ny metode til at manipulere lyd - stop det, vende det om, gemme det og endda bruge det senere - i syntetiske kompositstrukturer kendt som metamaterialer.

Opdagelsen blev gjort ved hjælp af teoretisk og beregningsmæssig analyse af de mekaniske vibrationer af tynde elastiske plader, som fungerer som byggesten for det foreslåede design. Fysikerne, Pragalv Karki og Jayson Paulose, også udviklet en enklere minimal model bestående af fjedre og masser, der demonstrerer samme signalmanipulationsevne.

"Der har været en masse mekanismer, der kan guide eller blokere transmissionen af ​​lydbølger gennem et metamateriale, men vores design er det første til dynamisk at stoppe og vende en lydpuls, " sagde Karki, en postdoc i UO's Institut for Fysik og Institut for Grundvidenskab.

Samspillet mellem bøjningsstivhed og den globale spænding - to fysiske parametre, der styrer lydtransmission i tynde plader - er kernen i deres signalmanipulationsmekanisme. Mens bøjningsstivhed er en materiel egenskab, global spænding er en eksternt kontrollerbar parameter i deres system.

Karki og Paulose, en adjunkt i fysik og medlem af Institut for Grundvidenskab, beskrev deres nye mekanisme, som de kalder dynamisk dispersion tuning, i et papir offentliggjort online 29. marts i tidsskriftet Fysisk gennemgang anvendt .

"Hvis du kaster en sten på en dam, du ser krusningerne, " sagde Karki. "Men hvad nu hvis du kastede stenen og i stedet for at se krusninger forplante sig udad, så ser du bare vandets forskydning gå op og ned ved stødpunktet? Det svarer til, hvad der sker i vores system."

Evnen til at manipulere lyd, lys eller andre bølger i kunstigt fremstillede metamaterialer er et aktivt forskningsområde, sagde Karki.

Optiske eller fotoniske metamaterialer, som udviser egenskaber såsom et negativt brydningsindeks, der ikke er muligt med konventionelle materialer, blev oprindeligt udviklet til at styre lyset på måder, der kunne bruges til at skabe usynlighedskapper og superlinser.

Deres brug bliver udforsket i forskellige applikationer såsom rumfart og forsvar, forbrugerelektronik, medicinsk udstyr og energihøst.

Akustiske metamaterialer er normalt statiske og uforanderlige, når de først er produceret, og dynamisk tuning af deres egenskaber er en vedvarende udfordring, sagde Karki. Andre forskergrupper har foreslået flere strategier til tuning af akustisk transmission, lige fra origami-inspirerede designs til magnetisk switching.

"I vores tilfælde, tunbarheden kommer fra evnen til at ændre spændingen af ​​de trommelignende membraner i realtid, " sagde Karki.

Yderligere inspiration, Karki og Paulose bemærkede, kom fra forskning i UO-laboratoriet hos fysikeren Benjamín Alemán. I Naturkommunikation i 2019, Alemáns gruppe afslørede et grafen nanomekanisk bolometer, en tromle-lignende membran, der kan registrere farver af lys ved høje hastigheder og høje temperaturer. Tilgangen udnytter en ændring i den globale spænding.

Mens mekanismen i det nye papir blev identificeret teoretisk og skal bevises i laboratorieeksperimenter, Karki sagde, han er overbevist om, at tilgangen vil fungere.

"Vores mekanisme for dynamisk dispersion tuning er uafhængig af, om du bruger akustisk, lette eller elektroniske bølger, " sagde Karki. "Dette åbner muligheden for også at manipulere signaler i fotoniske og elektroniske systemer."

muligheder, han sagde, omfatte forbedret akustisk signalbehandling og beregning. Design af akustiske metamaterialer baseret på grafen, som dem, der er udviklet i Alemáns laboratorium, kan føre til mange forskellige anvendelser som bølgebaseret databehandling, mikromekaniske transistorer og logiske enheder, bølgeledere og ultrafølsomme sensorer.

"Vores design kunne bygges i mikroskala med grafen og i store skalaer ved hjælp af trommelignende membranplader, " sagde Karki. "Du slår på kæden af ​​trommer, skabe et bestemt lydmønster, der bevæger sig i én retning, men ved at stemme trommernes spænding, vi kan stoppe lyden og gemme den til fremtidig brug. Det kan vendes eller manipuleres til et hvilket som helst antal andre mønstre."