Onderzoekers van het Advanced Science Research Center (ASRC) van het Graduate Center van The City University of New York en van het City College of New York (CCNY) hebben een metamateriaal ontwikkeld dat geluid op ongewoon robuuste manieren langs de randen kan transporteren en lokaliseren. op zijn hoeken.

Volgens een nieuw artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuurmaterialen , het nieuw ontworpen materiaal creëert een robuuste akoestische structuur die op ongebruikelijke manieren de verspreiding en lokalisatie van geluid kan regelen, zelfs als er fabricage-imperfecties zijn. Deze unieke eigenschap kan technologieën verbeteren die geluidsgolven gebruiken, zoals sonars en ultrasone apparaten, waardoor ze beter bestand zijn tegen defecten.

Het onderzoek is een samenwerking tussen de laboratoria van Alexander Khanikaev, een hoogleraar elektrotechniek en natuurkunde bij CCNY die ook is aangesloten bij de ASRC, en van Andrea Alù, directeur van het ASRC Photonics Initiative. Hun vooruitgang is gebaseerd op werk dat een gebied van wiskunde, topologie genaamd, in de wereld van de materiaalwetenschap heeft gebracht. Topologie bestudeert eigenschappen van een object die niet worden beïnvloed door continue vervormingen. Bijvoorbeeld, een donut is topologisch gelijk aan een plastic rietje, omdat ze allebei één gat hebben. Het ene kan in het andere worden gegoten door het object uit te rekken en te vervormen, en zonder het te scheuren of nieuwe gaten toe te voegen.

Met behulp van topologische principes, onderzoekers voorspelden en ontdekten later topologische isolatoren - speciale materialen die elektrische stromen alleen aan hun randen geleiden, niet in de massa. Hun ongebruikelijke geleidingseigenschappen komen voort uit de topologie van hun elektronische bandkloof, en ze zijn daarom ongewoon bestand tegen voortdurende veranderingen, zoals wanorde, lawaai of onvolkomenheden.

"Er is veel interesse geweest om deze ideeën uit te breiden van elektrische stromen naar andere soorten signaaltransport, met name op het gebied van topologische fotonica en topologische akoestiek, " zegt Alù. "Wat we doen is het bouwen van speciale akoestische materialen die geluid op zeer ongebruikelijke manieren kunnen leiden en lokaliseren."

Om hun nieuwe akoestische metamateriaal te ontwerpen, het team heeft een reeks kleine trimeren in 3D geprint, gerangschikt en verbonden in een driehoekig rooster. Elke trimeereenheid bestond uit drie akoestische resonatoren. De rotatiesymmetrie van de trimeren, en de gegeneraliseerde chirale symmetrie van het rooster, gaf de structuur unieke akoestische eigenschappen die voortkomen uit de topologie van hun akoestische bandgap.

De akoestische modi van de resonatoren hybridiseerden, waardoor een akoestische bandstructuur voor het hele object ontstaat. Als resultaat, wanneer geluid wordt afgespeeld op frequenties buiten de band gap, kan het zich door het grootste deel van het materiaal voortplanten. Maar wanneer geluid wordt afgespeeld op frequenties binnen de band gap, het kan alleen langs de randen van de driehoek reizen of op de hoeken worden gelokaliseerd. Dit pand, Ali zegt, wordt niet beïnvloed door wanorde of fabricagefouten.

"Je zou een hoek volledig kunnen verwijderen, en wat overblijft zal de nieuwe hoek van het rooster vormen, en het zal nog steeds op dezelfde manier werken, vanwege de robuustheid van deze eigenschappen, " zei Alù

Om deze eigenschappen te doorbreken, onderzoekers moesten de symmetrie van het materiaal verminderen door, bijvoorbeeld, het veranderen van de koppeling tussen resonatoreenheden, die de topologie van de bandstructuur verandert en dus de eigenschappen van het materiaal verandert.

"We zijn de eersten die een topologisch metamateriaal hebben gebouwd voor geluid dat verschillende vormen van topologische lokalisatie ondersteunt, langs de randen en op de hoeken.", zei Khanikaev. "We hebben ook aangetoond dat geavanceerde fabricagetechnieken op basis van 3D-geprinte akoestische elementen geometrieën van willekeurige complexiteit kunnen realiseren in een eenvoudig en flexibel platform, het openen van disruptieve kansen op het gebied van akoestische materialen. We hebben onlangs gewerkt aan nog complexere 3D-metamateriaalontwerpen op basis van deze technieken, die de eigenschappen van akoestische materialen verder zal uitbreiden en de mogelijkheden van akoestische apparaten zal uitbreiden".

"We laten zien, fundamenteel, dat het mogelijk is om nieuwe vormen van geluidstransport mogelijk te maken die veel robuuster zijn dan we gewend zijn. Deze bevindingen kunnen toepassingen vinden in echografie, onderwaterakoestiek en sonartechnologie, ' zei Ali.