Door opgenomen audio van digitale opslag af te spelen, kunnen we van muziek genieten zonder de fysieke aanwezigheid van een muziekinstrument om resonerend geluid te genereren. In een schijnbaar niet-gerelateerd gebied dat metamaterialen wordt genoemd, wetenschappers ontwerpen verschillende fysieke structuren die ook resoneren met geluid of licht, om veel intrigerende fenomenen zoals negatieve breking en onzichtbaarheid te bereiken.

Onlangs, wetenschappers van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), in samenwerking met Seoul National University in Korea, hebben gerealiseerd wat zij een gevirtualiseerd akoestisch metamateriaal noemden, bij het digitaliseren van materiële respons op een impulsrespons die is opgeslagen in een softwareprogramma. Een dergelijke digitale weergave is gebruikelijk in signaalverwerking om filters te construeren, maar nu als een nieuwe toepassing voor materiaalwetenschap. De digitale representatie vervangt de eerdere fysieke structuren, waardoor alleen een verzameling microfoons en luidsprekers onderling verbonden is met een backend-microprocessor. De impulsrespons van het metamateriaal is nu gewoon een softwareprogramma om elke verstrooide golf te genereren met een op maat gemaakte frequentiespreiding. Als zodanig, de respons van metamaterialen kan willekeurig worden gemaakt en flexibel worden afgestemd met een simpele klik op de knop.

Hun bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie op 14 januari, 2020.

"De huidige benadering in metamateriaalonderzoek bootst de reactie van natuurlijke atomen na door kunstmatig geconstrueerde atomen die resonerende fysieke structuren gebruiken. Maar dat lijdt lange tijd aan een beperking dat de eigenschap niet gemakkelijk in een groot bereik en op een dynamische manier kan worden afgestemd, " zei Prof. Jensen Li Tsan-Hang van de afdeling Natuurkunde, HKUST, die het onderzoek leidde. "Dit is vooral belangrijk voor veel realistische toepassingen, zoals breedband stealth, dat moet werken in een dynamische en strakke omgeving."

"Ons werk pakt dit probleem aan en biedt een haalbare aanpak om de respons te digitaliseren in een softwareprogramma. Een digitale weergave van een metamateriaal, door een populair concept van impulsrespons te lenen bij signaalverwerking, de respons van metamateriaal kan worden afgestemd en gewijzigd door eenvoudig een klik op de knop om het softwareprogramma te wijzigen, " zei prof. Li.

Hoewel metamaterialen hoge commerciële waarden hebben getoond in termen van hun superieure prestaties op het gebied van geluidsisolatie, compacte metalen lenzen maken, enzovoort., zo'n virtualisatietechnologie zal verder enorme afstembaarheid toevoegen in termen van functies, een ander niveau van betekenis toekennen aan "meta, " en metamaterialen toestaan ​​om breedband stealth te doen, actieve geluidsabsorptie, beeldvorming met superresolutie, en verder.

“Met onze aanpak we kunnen gemakkelijk ingaan op het actieve regime van metamaterialen, naast de afstembaarheid die we hebben genoemd. Externe elektronica, in vergelijking met conventionele metamaterialen die bestaan ​​uit passieve fysieke structuren, kan altijd de metamaterialen van stroom voorzien, " zei prof. Namkyoo Park, van de afdeling Electrical and Computer Engineering, Nationale Universiteit van Seoul. "We zijn niet beperkt tot metamaterialen die alleen passieve of dissiperende kracht kunnen zijn; elke actieve respons kan eenvoudig worden gespecificeerd. We bewijzen dit in ons werk door een metamateriaal te realiseren met een versterkte transmissie die veel groter is dan waarde één."

"Door de resonerende fysieke structuur te vervangen door een ontwerper wiskundige convolutie-kernel met een snel digitaal signaalverwerkingscircuit, we demonstreren een ontkoppelde controle van de effectieve bulkmodulus en massadichtheid van akoestische metamaterialen op aanvraag via een softwaregedefinieerde frequentiespreiding, "zei Prof. Li. "Het verstrekken van vrij software-reconfigureerbare amplitude, centrum frequentie, en bandbreedte van frequentiespreiding, onze aanpak voegt een extra dimensie toe aan het construeren van niet-wederkerige, niet-Hermitisch, en topologische systemen met in de tijd variërende mogelijkheden als potentiële toepassingen."

De volgende stap van de onderzoeksgroep is het bouwen van een veel grotere versie van meta-atomen van een metamateriaal, waarmee onderzoekers geluidsgolven verder kunnen manipuleren met eigenschappen die verder gaan dan de huidige generatie metamaterialen, zoals de onzichtbaarheid van breedband, extreme niet-wederkerige transmissie of geluidsisolatie.