Forskerhold foreslår en ny type akustisk krystal med glatte, kontinuerlige ændringer i elastiske egenskaber

I svagt lys ser en kat meget bedre end dig, det samme gør hunde og natlige dyr. Det skyldes, at strukturen af ​​et katteøje har et tapetum lucidum, et spejllignende lag umiddelbart bag nethinden. Lys, der kommer ind i øjet, som linsen ikke fokuserer på nethinden, reflekteres fra tapetum lucidum, hvor nethinden får endnu en chance for at modtage lyset, behandle det og sende impulser til synsnerven.

Optiske videnskabsmænd kalder dette en fotonisk krystal. For en kat er det periodiske parallelle stænger - den indeholder fotoniske båndgab, der bruges til at modificere lysstrømmen, beslægtet med elektronbåndgab i halvledere, som er energiområder, hvor ingen elektronenergitilstande eksisterer. Disse materialer har ændringer i deres brydningsindeks og modificerer og omdirigerer derfor lysets udbredelse.

Et andet eksempel er de reflekterende markører på fortovet af motorveje, der lyser om natten fra en bils forlygter. Fotoniske krystaller, som sidstnævnte, fremstilles via lag af tynde film ved hjælp af fotolitografi, hulboring, laserskrivning og andre teknikker.

Fotoniske krystaller forbyder lys af visse frekvenser i de dele af det krystallinske medium, som lyset bevæger sig igennem. Som defineret af videnskaben har sådanne krystaller periodiske, adskilte områder, hver med en periodisk dielektrisk konstant.

Et dielektrikum er et elektrisk isolerende materiale uden frie elektroner eller atomer, der modarbejder strømmen af ​​elektroner, når et elektrisk felt påføres. I stedet polariserer et dielektrisk materiale, når et elektrisk felt påføres, hvor dets molekyler alle peger i samme retning. Destilleret vand - renset vand, der ikke indeholder mineraler - er et dielektrisk materiale, og det samme er glas, porcelæn, tør luft, papir og mange andre materialer. Dielektriske stoffer bruges i kondensatorer, flydende krystalskærme og andre enheder.

I forlængelse af dette koncept er "funktionsfotoniske krystaller" materialer, der har en jævn, kontinuerlig ændring i brydningsindeks i stedet for en skarp, tydelig periodicitet. Dette muliggør hurtig elektronisk kontrol af et materiales egenskaber.

De samme koncepter eksisterer for fononiske krystaller. Fononer er kvantiserede lydbølger, ligesom fotoner er kvantiserede lysbølger. En fononisk krystal er et fast stof med kontinuerlige ændringer i dets egenskaber, hvilket skaber et båndgab for fotoniske energier. Kunstige strukturer med en periodisk variation af elastiske parametre kan manipulere udbredelsen af ​​elastiske bølger.

Nu foreslår et team ledet af David Röhlig ved Technische Universität Chemnitz i Tyskland at skabe funktionsfoniske krystaller med jævne og kontinuerlige ændringer i elastiske egenskaber i stedet for strenge periodiske variationer. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Europhysics Letters .

Brydningsindekset for lyd ville løbende ændre sig inde i det udbredende medium i stedet for trinfunktionsdiskontinuiteter. I naturen er sådanne stoffer ansvarlige for langbølgeudbredelsen af ​​lydbølger i vand og bøjede lydbølger i den lavere atmosfære.

Ved hjælp af højtydende computersimuleringer fokuserede holdet på at forstå effekten af ​​en lille afvigelse i materialeegenskaber fra den typiske trinfunktionsdiskontinuitet på den foniske tæthed af energitilstande.

Deres resultater var overraskende:selv bare små afvigelser fra den ideelle trinfunktion af et materiale kunne forårsage store, radikale ændringer i den fononiske båndstruktur. Dette ville føre til fremkomsten af ​​mange eftertragtede funktioner, såsom større fononbåndgab og flere fononiske båndgab.

Fordi den fononiske tæthed af tilstande kan ændre sig så hurtigt for kun små ændringer i materialeegenskaberne, vil sådanne egenskaber vise sig nyttige til fremstilling af f.eks. fononiske linser i faste materialer eller vand eller til nye enheder inden for materialevidenskab, anvendt fysik og teknik. .

"Vores resultater præsenterer et nyt perspektiv på fononiske strukturer," sagde Röhlig, "der tilbyder en yderligere mulighed for at inducere båndgabdannelse i specifikke geometrier, der mangler denne egenskab." Röhlig bemærker, at den hurtige konvergens af tætheden af ​​tilstande, efterhånden som trinfunktionsparametrene ændres til at være mere kontinuerlige, bemærker, at de hurtige ændringer ville strømline potentielle fremstillingsmetoder.

"Hvis yderligere undersøgelser kan validere vores forudsigelser eksperimentelt, kan vores resultater finde anvendelser inden for mikroteknologi og mekatronik til design af akusto-mekaniske transducere og aktuatorer," sagde han.

Selv store miljøer kunne formes, "såsom at arrangere træer eller andre træbygningsenheder, [objekter], der har en kendt eller specielt designet radialt kontinuerlig parameterprofil med hensyn til tæthed og elastiske egenskaber, for at forbedre den omgivende lydisolering."

Flere oplysninger: David Röhlig et al., Funktionsfoniske krystaller, Europhysics Letters (2024). DOI:10.1209/0295-5075/ad1de9

Journaloplysninger: Europhysics Letters (EPL)

© 2024 Science X Network