Nye materialer:Lydbølger, der bevæger sig baglæns

Akustiske bølger i gasser, væsker, og faste stoffer rejser normalt med en næsten konstant lydhastighed. Såkaldte rotoner er en undtagelse:deres lydhastighed ændrer sig væsentligt med bølgelængden, og det er også muligt, at bølgerne rejser baglæns. Forskere ved Karlsruhe Institute of Technology (KIT) undersøger mulighederne for at bruge rotoner i kunstige materialer. Disse computerdesignede metamaterialer, produceret ved ultra-præcis 3D laserprint, kan blive brugt i fremtiden til at manipulere eller dirigere lyd på måder, som aldrig har været mulige før. En rapport om forskernes arbejde er offentliggjort i Naturkommunikation .

Rotoner er kvasipartikler, hvilket betyder, at de opfører sig på samme måde som frie partikler. I modsætning til almindelige akustiske bølger i gasser, væsker, og faste stoffer, lydens hastighed ændrer sig markant med bølgelængden. Ud over, visse frekvenser genererer tre forskellige delbølger. "Den langsomste blandt dem er en baglæns bølge:energistrømmen og bølgefronterne løber i nøjagtigt modsatte retninger, " forklarer professor Martin Wegener fra Institut for Anvendt Fysik (APH) og KIT's Institut for Nanoteknologi (INT). At forstå og drage fordel af kvasipartikler som rotoner er en af ​​kvantefysikkens store udfordringer. Fysiker Lev Landau, som vandt en Nobelpris i 1962 for sit banebrydende arbejde, forudsagde deres eksistens i sammenhæng med superfluiditet, en tilstand, hvor en væske mister sin indre friktion og bliver termisk ledende på en næsten ideel måde. Indtil nu, rotoner kunne kun observeres under særlige kvantefysiske forhold ved meget lave temperaturer - og var derfor ikke egnede til tekniske anvendelser.

Rotons uden nogen kvanteeffekter

Dette kan ændre sig i fremtiden:i 3D Matter Made to Order Cluster of Excellence fra KIT og Universitetet i Heidelberg, en gruppe forskere arbejder på metamaterialer, der "dyrker" rotoner. Metamaterialer udviser optisk, akustisk, elektriske, eller magnetiske egenskaber, der ikke findes i naturen. Forskerne foreslår et kunstigt materiale, der kan producere rotoner uden nogen kvanteeffekter under normale omgivende forhold og ved næsten tilfældige frekvenser eller bølgelængder. Dermed, det kan være muligt i fremtiden bedre at manipulere lydbølger i luft eller i materialer, for eksempel, at hoppe dem tilbage, omdirigere dem, eller skabe ekkoer. Disse materialer er endnu ikke blevet påvist eksperimentelt; imidlertid, det skulle være muligt at fremstille dem ved at bruge teknologier som ultrapræcis 3D-laserprint. "Vi har endda lavet nogle af disse metamaterialer i mellemtiden, " siger professor Martin Wegener. "I øjeblikket, vi arbejder intensivt på det direkte eksperimentelle bevis for eksistensen af ​​rotoner."

3D -udskrivning - porten fra den digitale til den fysiske verden

Dr. Yi Chen, hovedforfatter af publikationen, forklarer, at forskerne stolede på en kombination af refleksion, mange diskussioner og numeriske simuleringer og optimeringer for at udtænke det computerstøttede virtuelle design af materialer med sådanne nye egenskaber. Hans arbejde som post-doc forsker ved KIT er finansieret af Alexander von Humboldt Fonden og er integreret i et Helmholtz-program med titlen "Material Systems Engineering", der blev lanceret i 2021. "Generelt, vores drøm er at designe materialer på computeren og derefter gøre dem direkte til virkelighed – uden års prøvelse og fejl. Så 3D-print er kun en automatiseret konverter, som det var, fra den digitale til den fysiske verden, " forklarer professor Martin Wegener.