Исследовательская группа предлагает новый тип акустического кристалла с плавными, непрерывными изменениями упругих свойств

В слабом свете кошка видит гораздо лучше вас, как и собаки и ночные животные. Это связано с тем, что структура глаза кошки имеет тапетум люцидум, зеркальный слой сразу за сетчаткой. Свет, входящий в глаз и не фокусирующийся линзой на сетчатке, отражается от тапетума люцидума, где сетчатка получает еще один шанс принять свет, обработать его и отправить импульсы в зрительный нерв.

Оптические ученые называют это фотонным кристаллом. Для кошки это периодические параллельные стержни — он содержит фотонные запрещенные зоны, используемые для изменения потока света, аналогично электронным запрещенным зонам в полупроводниках, где не существует энергетических состояний электрона. Эти материалы имеют изменения в своем показателе преломления и таким образом изменяют и перенаправляют распространение света.

Другой пример — отражающие маркеры на дорожном покрытии автомагистралей, которые светятся ночью от фар автомобиля. Фотонные кристаллы, подобные последним, изготавливаются с помощью слоев тонких пленок, используя фотолитографию, сверление отверстий, лазерную запись и другие техники. Фотонные кристаллы запрещают свет определенных частот в частях кристаллической среды, через которую проходит свет.

Как определено наукой, такие кристаллы имеют периодические, четко разграниченные области, каждая с периодической диэлектрической постоянной. Теперь команда под руководством Давида Рёлига из Технического университета в Хемнице, Германия, предлагает создать функциональные фононные кристаллы с плавными и непрерывными изменениями упругих свойств вместо строгих периодических изменений. Исследование опубликовано в журнале Europhysics Letters. Показатель преломления для звука будет непрерывно изменяться внутри распространяющейся среды, вместо ступенчатых разрывов.

В природе такие вещества ответственны за дальнее распространение звуковых волн в воде и изогнутые звуковые волны в нижней атмосфере. Используя высокопроизводительные компьютерные симуляции, команда сосредоточилась на понимании эффекта небольшого отклонения в свойствах материала от типичного ступенчатого разрыва на фононную плотность энергетических состояний. Их результаты были удивительными: даже небольшие отклонения от идеальной ступенчатой функции материала могли вызвать большие, радикальные изменения в фононной зонной структуре.

Это привело бы к появлению множества востребованных особенностей, таких как более широкие фононные запрещенные зоны и множественные фононные запрещенные зоны. Поскольку фононная плотность состояний может так быстро изменяться всего лишь при небольших изменениях свойств материала, такие свойства могли бы оказаться полезными, например, при создании фононных линз в твердых материалах или воде, или для новых устройств в материаловедении, прикладной физике и инженерии. "Наши результаты представляют новую перспективу на фононные структуры," сказал Рёлиг, "предлагая дополнительный путь для индукции образования запрещенных зон в специфических геометриях, которым не хватает этой характеристики."

Отмечая, что плотность состояний быстро сходится, когда параметры ступенчатой функции изменяются на более непрерывные, Рёлиг заявил, что быстрые изменения упростят потенциальные производственные подходы. "Если дальнейшие исследования смогут экспериментально подтвердить наши предсказания, наши результаты могут найти применение в микротехнологиях и мехатронике для проектирования акусто-механических преобразователей и актуаторов," он сказал.

Даже крупномасштабные среды могут быть сформированы, "такие как расстановка деревьев или других деревянных строительных единиц, [объектов], имеющих известный или специально разработанный радиально непрерывный параметрический профиль в отношении плотности и упругих свойств, для улучшения окружающего звукоизоляции."

• Грибы как компьютерные чипы: учёные создают «живую память» из шиитаке
• Учёные создали трёхслойное микрофлюидное устройство для сверхэффективного охлаждения электроники
• Обычный кристалл оказался идеальным материалом для технологий на сверхнизких температурах
• Учёные научились превращать снимки атомно-силового микроскопа в точные 3D-модели движений белков
• Учёные создали уникальный гидрогель для «неклонируемых» меток безопасности
• Роботы нового поколения: в Caltech создали систему, которая может ходить, ездить и летать
• Учёные создали 3D-печатные материалы, которые полностью гасят вибрации
• Квантовые кристаллы: как учёные из Оберна открыли путь к новой технологической революции