Akoestische golven in gassen, vloeistoffen, en vaste stoffen reizen gewoonlijk met een bijna constante geluidssnelheid. Een uitzondering vormen zogenaamde rotons:hun geluidssnelheid verandert aanzienlijk met de golflengte, en het is ook mogelijk dat de golven achteruit gaan. Onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) bestuderen de mogelijkheden van het gebruik van rotons in kunstmatige materialen. Deze computer-ontworpen metamaterialen, geproduceerd door ultraprecieze 3D-laserprinten, zou in de toekomst kunnen worden gebruikt om geluid te manipuleren of te sturen op manieren die nooit eerder mogelijk waren. Een rapport over het werk van de onderzoekers is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Rotons zijn quasideeltjes, wat betekent dat ze zich op dezelfde manier gedragen als vrije deeltjes. In tegenstelling tot gewone akoestische golven in gassen, vloeistoffen, en vaste stoffen, de snelheid van het geluid verandert aanzienlijk met de golflengte. In aanvulling, bepaalde frequenties genereren drie verschillende deelgolven. "De langzaamste onder hen is een achterwaartse golf:de energiestroom en de golffronten lopen in precies tegenovergestelde richtingen, ", legt professor Martin Wegener van het Institute of Applied Physics (APH) en het Institute of Nanotechnology (INT) van het KIT uit. Het begrijpen en profiteren van quasideeltjes zoals rotons is een van de grote uitdagingen van de kwantumfysica. Natuurkundige Lev Landau, die in 1962 een Nobelprijs won voor zijn baanbrekende werk, hun bestaan ​​voorspelden in de context van superfluïditeit, een toestand waarin een vloeistof zijn interne wrijving verliest en op een bijna ideale manier thermisch geleidend wordt. Tot nu, rotonen konden alleen worden waargenomen onder speciale kwantumfysische omstandigheden bij zeer lage temperaturen - en waren daarom niet geschikt voor technische toepassingen.

Rotons zonder kwantumeffecten

Dit kan in de toekomst veranderen:in de 3D Matter Made to Order Cluster of Excellence van KIT en de Universiteit van Heidelberg, een groep onderzoekers werkt aan metamaterialen die rotons "groeien". Metamaterialen vertonen optische, akoestisch, elektrisch, of magnetische eigenschappen die niet in de natuur voorkomen. De wetenschappers stellen een kunstmatig materiaal voor dat rotonen kan produceren zonder kwantumeffecten onder normale omgevingsomstandigheden en bij bijna willekeurige frequenties of golflengten. Dus, het in de toekomst misschien mogelijk is om geluidsgolven in lucht of in materialen beter te manipuleren, bijvoorbeeld, om ze terug te kaatsen, omleiden, of maak echo's. Deze materialen zijn nog niet experimenteel aangetoond; echter, het moet mogelijk zijn om ze te produceren met behulp van technologieën zoals ultraprecies 3D-laserprinten. "We hebben in de tussentijd zelfs een aantal van deze metamaterialen gemaakt, " zegt professor Martin Wegener. "Momenteel we werken intensief aan het directe experimentele bewijs voor het bestaan ​​van rotons."

3D-printen:de poort van de digitale naar de fysieke wereld

Dr. Yi Chen, hoofdauteur van de publicatie, legt uit dat de onderzoekers vertrouwden op een combinatie van reflectie, veel discussies en numerieke simulaties en optimalisaties om het computerondersteunde virtuele ontwerp van materialen met zulke nieuwe eigenschappen te bedenken. Zijn werk als postdoctoraal onderzoeker aan het KIT wordt gefinancierd door de Alexander von Humboldt Foundation en is geïntegreerd in een Helmholtz-programma getiteld "Material Systems Engineering", gelanceerd in 2021. "In het algemeen, onze droom is om materialen op de computer te ontwerpen en ze vervolgens direct in realiteit om te zetten - zonder jaren van vallen en opstaan. Dus 3D-printen is slechts een geautomatiseerde converter, als het ware, van de digitale naar de fysieke wereld, ’ legt professor Martin Wegener uit.