Onderzoekers van Duke University en Aalto University (Finland) hebben een "meta-mirror"-apparaat gebouwd dat in staat is om geluidsgolven in elke richting perfect te weerkaatsen. De proof-of-principle demonstratie is analoog aan rechtstreeks in een spiegel kijken en alleen de persoon naast je zien in plaats van je eigen gezicht.

Het onderzoek verscheen op 15 februari online in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

"Als je in een alledaagse spiegel kijkt, het licht volgt de wet van weerkaatsing:het licht moet er onder dezelfde hoek van weerkaatsen als waarmee het binnenkwam, " zei Junfei Li, een doctoraatsstudent in elektrotechniek en computertechniek aan de Duke University. Over het algemeen gelden dezelfde regels voor geluid, maar "we wilden zien of we in plaats daarvan een golf in een andere richting konden sturen."

Om de wet van reflectie te breken met geluidsgolven, de onderzoekers moesten een apparaat ontwerpen dat de amplitude (luidheid) en snelheid gedurende de hele golf nauwkeurig kon regelen, wat nog moeilijker is dan het klinkt.

"Een manier waarop we dit kunnen bereiken, is door op magische wijze een nauwkeurig gecontroleerde geluidsgolf te lanceren die de inkomende geluidsgolf 'slaat' als ballen op een pooltafel, "zei Li. "Maar proberen dat te doen zou zoveel problemen veroorzaken dat het geen praktisch idee is."

In plaats van toevlucht te nemen tot magie, Li en zijn collega's wendden zich tot metamaterialen - kunstmatige materialen die golven zoals licht en geluid manipuleren door hun structuur in plaats van door hun chemie. Bijvoorbeeld, terwijl het specifieke metamateriaal dat de onderzoekers ontwierpen van plastic is, het zijn niet de eigenschappen van het plastic die belangrijk zijn; het zijn de vormen van de functies van het apparaat waarmee het geluidsgolven in elke richting kan sturen.

Het oppervlak van het metamateriaal lijkt veel op een golf zelf, geëtst met een reeks kanalen van verschillende diepten. Die diepten zijn ontworpen om de snelheid waarmee de geluidsgolf op verschillende punten van de metaspiegel wordt weerkaatst, nauwkeurig te regelen. Hun golfachtige positionering regelt de amplitude van de geluidsgolf.

"Omdat een geluidsgolf energie draagt, je moet het een schop geven om het om te leiden, " zei Steve Cummer, hoogleraar elektrische en computertechniek aan Duke. "Maar om dit perfect te doen, je moet ofwel de energie actief herverdelen langs het oppervlak van de metaspiegel, wat niet haalbaar is, of je moet slim een ​​vorm kiezen waarbij de energieverdeling overal hetzelfde is.”

Als een geluidsgolf de meta-spiegel raakt, het reflecteert op zijn gebogen oppervlakken en interfereert met zichzelf. Tussen de vorm van de meta-spiegel en de diepte van zijn kanalen, dit interferentiepatroon heeft tot gevolg dat de geluidsgolf in een gewenste richting reflecteert zonder dat zijn energie wordt geabsorbeerd of verstrooid in een ongewenste richting.

In de proof-of-concept demonstratie, het metamateriaalapparaat neemt een geluidsgolf die er direct naar toe reist op 3, 000 Hertz, een zeer hoge toon die niet lijkt op het krijgen van een "piep in je oren, " en weerspiegelt het perfect in een hoek van 70 graden.

Hoewel het prototype-apparaat specifiek is afgestemd op één frequentie en reflectiehoek, de onderzoekers zijn van plan een dynamisch apparaat na te streven dat van vorm kan veranderen om verschillende frequenties in verschillende richtingen te reflecteren. Ze zijn ook van plan om te werken aan vergelijkbare apparaten voor onderwaterakoestiektoepassingen.

Een soortgelijk apparaat zou ook kunnen worden gemaakt om lichtgolven te controleren, hoewel de functies ervan op een veel kleinere schaal zouden moeten worden ontwikkeld, omdat de lichtgolflengten korter zijn. Zo'n apparaat zou niet alleen licht in verschillende richtingen kunnen reflecteren, echter, het zou ook een enkele golf in twee willekeurige richtingen kunnen splitsen.

"We hebben niet alleen een manier bedacht om zeer efficiënte meta-oppervlakken te ontwerpen, we kunnen het ontwerp ook aanpassen voor verschillende functionaliteiten, " zei Ana Díaz-Rubio, een postdoctoraal onderzoeker aan de Aalto University die het werk aan de onderliggende theorie van het project leidde. "Deze meta-oppervlakken zijn een veelzijdig platform voor willekeurige controle van reflectie."