Natuurkundigen van de Universiteit van Oregon hebben een nieuwe methode ontwikkeld om geluid te manipuleren:stop het, keer het om, sla het op en gebruik het zelfs later - in synthetische composietstructuren die bekend staan ​​als metamaterialen.

De ontdekking werd gedaan met behulp van theoretische en computationele analyse van de mechanische trillingen van dunne elastische platen, die als bouwstenen dienen voor het voorgestelde ontwerp. de fysici, Pragalv Karki en Jayson Paulose, ontwikkelde ook een eenvoudiger minimaal model bestaande uit veren en massa's die hetzelfde vermogen tot signaalmanipulatie demonstreren.

"Er zijn veel mechanismen geweest die de overdracht van geluidsgolven door een metamateriaal kunnen leiden of blokkeren, maar ons ontwerp is het eerste dat een geluidspuls dynamisch stopt en omkeert, " zei Karki, een postdoctoraal onderzoeker in de UO's Department of Physics and Institute for Fundamental Science.

Het samenspel tussen buigstijfheid en de globale spanning - twee fysieke parameters die de geluidsoverdracht in dunne platen bepalen - vormt de kern van hun signaalmanipulatiemechanisme. Terwijl buigstijfheid een materiaaleigenschap is, globale spanning is een extern controleerbare parameter in hun systeem.

Karki en Paulose, een assistent-professor natuurkunde en lid van het Instituut voor Fundamentele Wetenschappen, beschreef hun nieuwe mechanisme, die ze dynamische dispersie-afstemming noemen, in een paper online gepubliceerd op 29 maart in het tijdschrift Fysieke beoordeling toegepast .

"Als je een steen in een vijver gooit, je ziet de rimpelingen, "Zei Karki. "Maar wat als je de steen gooit en in plaats van rimpelingen te zien die zich naar buiten voortplanten, zie je gewoon de verplaatsing van het water op en neer gaan op het punt van impact? Dat is vergelijkbaar met wat er in ons systeem gebeurt."

Het vermogen om geluid te manipuleren, licht of andere golven in kunstmatig gemaakte metamaterialen is een actief onderzoeksgebied, zei Karki.

Optische of fotonische metamaterialen, die eigenschappen vertonen zoals een negatieve brekingsindex die niet mogelijk is met conventionele materialen, werden aanvankelijk ontwikkeld om licht te beheersen op manieren die kunnen worden gebruikt om onzichtbaarheidsmantels en superlenzen te maken.

Het gebruik ervan wordt onderzocht in diverse toepassingen zoals ruimtevaart en defensie, consumentenelektronica, medische hulpmiddelen en het oogsten van energie.

Akoestische metamaterialen zijn meestal statisch en onveranderlijk als ze eenmaal zijn geproduceerd, en het dynamisch afstemmen van hun eigenschappen is een voortdurende uitdaging, zei Karki. Andere onderzoeksgroepen hebben verschillende strategieën voorgesteld voor het afstemmen van akoestische transmissie, variërend van op origami geïnspireerde ontwerpen tot magnetisch schakelen.

"In ons geval, de afstembaarheid komt van het vermogen om de spanning van de trommelachtige membranen in realtime te veranderen, ' zei Karki.

Extra inspiratie, Karki en Paulose merkten op, kwam uit onderzoek in het UO-lab van natuurkundige Benjamín Alemán. In Natuurcommunicatie in 2019, De groep van Alemán onthulde een grafeen nanomechanische bolometer, een trommelachtig membraan dat kleuren van licht kan detecteren bij hoge snelheden en hoge temperaturen. De aanpak maakt gebruik van een verandering in de mondiale spanningen.

Hoewel het mechanisme in het nieuwe artikel theoretisch werd geïdentificeerd en moet worden bewezen in laboratoriumexperimenten, Karki zei, hij is ervan overtuigd dat de aanpak zal werken.

"Ons mechanisme van dynamische spreidingsafstemming is onafhankelijk van of u akoestische, licht of elektronische golven, "Zei Karki. "Dit opent de mogelijkheid om ook signalen in fotonische en elektronische systemen te manipuleren."

Mogelijkheden, hij zei, omvatten verbeterde verwerking en berekening van akoestische signalen. Ontwerpen van akoestische metamaterialen op basis van grafeen, zoals die ontwikkeld in het laboratorium van Alemán, kan leiden tot verschillende toepassingen, zoals wave-based computing, micromechanische transistoren en logische apparaten, golfgeleiders en ultragevoelige sensoren.

"Ons ontwerp kan op microschaal worden gebouwd met grafeen en op grote schaal met behulp van trommelachtige membraanplaten, "Zei Karki. "Je slaat op de ketting van trommels, het creëren van een bepaald geluidspatroon dat in één richting beweegt, maar door de spanning van de trommels af te stemmen, we kunnen het geluid stoppen en opslaan voor toekomstig gebruik. Het kan worden omgekeerd of gemanipuleerd in een willekeurig aantal andere patronen."