Wetenschap
Het onderzoeksteam stelt een nieuw type akoestisch kristal voor met vloeiende, continue veranderingen in elastische eigenschappen
Bij weinig licht ziet een kat veel beter dan jij, net als honden en nachtdieren. Dat komt omdat de structuur van het oog van een kat een tapetum lucidum heeft, een spiegelachtige laag direct achter het netvlies. Licht dat het oog binnenkomt en niet door de lens op het netvlies wordt gefocust, wordt gereflecteerd door het tapetum lucidum, waar het netvlies nog een kans krijgt om het licht te ontvangen, te verwerken en impulsen naar de oogzenuw te sturen.
Optische wetenschappers noemen dit een fotonisch kristal. Voor een kat zijn het periodieke evenwijdige staven:het bevat fotonische bandafstanden die worden gebruikt om de lichtstroom te wijzigen, vergelijkbaar met de elektronenbandafstanden in halfgeleiders, dit zijn energiegebieden waar geen elektronenenergietoestanden bestaan. Deze materialen hebben veranderingen in hun brekingsindex en wijzigen en sturen zo de voortplanting van licht.
Een ander voorbeeld zijn de reflecterende markeringen op het trottoir van snelwegen die 's nachts oplichten door de koplampen van een auto. Fotonische kristallen, zoals de laatste, worden vervaardigd via lagen dunne films met behulp van fotolithografie, gatenboren, laserschrijven en andere technieken.
Fotonische kristallen verbieden licht met bepaalde frequenties in de delen van het kristallijne medium waar het licht doorheen reist. Zoals door de wetenschap gedefinieerd, hebben dergelijke kristallen periodieke, verschillende gebieden, elk met een periodieke diëlektrische constante.
Een diëlektricum is een elektrisch isolerend materiaal, zonder vrije elektronen of atomen, dat de stroom van elektronen tegenwerkt wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd. In plaats daarvan polariseert een diëlektrisch materiaal wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, waarbij de moleculen allemaal in dezelfde richting wijzen. Gedestilleerd water – gezuiverd water dat geen mineralen bevat – is een diëlektrisch materiaal, net als glas, porselein, droge lucht, papier en vele andere materialen. Diëlektrica worden gebruikt in condensatoren, LCD-schermen en andere apparaten.
Als we dit concept uitbreiden, zijn "functionele fotonische kristallen" materialen die een vloeiende, continue verandering in de brekingsindex hebben, in plaats van een scherpe, duidelijke periodiciteit. Dit maakt een snelle elektronische controle van de eigenschappen van een materiaal mogelijk.
Dezelfde concepten bestaan voor fononische kristallen. Fononen zijn gekwantiseerde geluidsgolven, net zoals fotonen gekwantiseerde lichtgolven zijn. Een fononisch kristal is een vaste stof met voortdurende veranderingen in zijn eigenschappen, waardoor er een bandgap ontstaat voor fotonische energieën. Kunstmatige structuren met een periodieke variatie van elastische parameters kunnen de voortplanting van elastische golven manipuleren.
Nu stelt een team onder leiding van David Röhlig van de Technische Universität Chemnitz in Duitsland voor om functionele fononische kristallen te creëren, met vloeiende en continue veranderingen in elastische eigenschappen in plaats van strikte periodieke variaties. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Europhysics Letters .
De brekingsindex voor geluid zou voortdurend veranderen binnen het voortplantingsmedium, in plaats van discontinuïteiten in de stapfunctie. In de natuur zijn dergelijke stoffen verantwoordelijk voor de langegolfvoortplanting van geluidsgolven in water en gebogen geluidsgolven in de lagere atmosfeer.
Met behulp van hoogwaardige computersimulaties concentreerde het team zich op het begrijpen van het effect van een kleine afwijking in materiaaleigenschappen van de typische stapfunctie-discontinuïteit op de fononische dichtheid van energietoestanden.
Hun resultaten waren verrassend:zelfs kleine afwijkingen van de ideale stapfunctie van een materiaal konden grote, radicale veranderingen in de fononische bandstructuur veroorzaken. Dit zou leiden tot de opkomst van veel gewilde kenmerken, zoals grotere hiaten in de fononbanden en meerdere hiaten in de fononische banden.
Omdat de fononische toestandsdichtheid zo snel kan veranderen bij slechts kleine veranderingen in de materiaaleigenschappen, zouden dergelijke eigenschappen nuttig kunnen zijn bij het maken van bijvoorbeeld fononische lenzen in vaste materialen of water, of voor nieuwe apparaten in de materiaalkunde, toegepaste natuurkunde en techniek. .
"Onze bevindingen bieden een nieuw perspectief op fononische structuren", zegt Röhlig, "en bieden een extra mogelijkheid om bandgap-vorming te induceren in specifieke geometrieën die dit kenmerk missen." Röhlig merkt op dat de snelle convergentie van de toestandsdichtheid naarmate de stapfunctieparameters veranderen om meer continu te zijn, en merkt op dat de snelle veranderingen potentiële productiebenaderingen zouden stroomlijnen.
"Als verdere studies onze voorspellingen experimenteel kunnen valideren, zouden onze resultaten toepassingen kunnen vinden in de microtechnologie en mechatronica voor het ontwerp van akoesto-mechanische transducers en actuatoren", zei hij.
Zelfs grootschalige omgevingen kunnen worden vormgegeven, "zoals het plaatsen van bomen of andere houten bouweenheden, [objecten] die een bekend of speciaal ontworpen radiaal continu parameterprofiel hebben met betrekking tot dichtheid en elastische eigenschappen, om de geluidsisolatie van de omgeving te verbeteren."