Акустические волны в газах, жидкостях и твердых телах обычно распространяются с почти постоянной скоростью звука. Исключение составляют так называемые ротоны: их скорость звука значительно изменяется с длиной волны, и также возможно, что волны распространяются в обратном направлении.
Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) изучают возможности использования ротонов в искусственных материалах. Эти спроектированные компьютером метаматериалы, полученные с помощью сверхточной трехмерной лазерной печати, могут быть использованы в будущем для управления или направления звука способами, которые ранее были невозможны.
Ротоны - это квазичастицы, а это означает, что они ведут себя аналогично свободным частицам. В отличие от обычных акустических волн в газах, жидкостях и твердых телах, скорость звука значительно зависит от длины волны. Кроме того, определенные частоты генерируют три разных парциальных волны.
«Самая медленная из них - это обратная волна: поток энергии и волновые фронты движутся в совершенно противоположных направлениях», - объясняет профессор Мартин Вегенер из Института прикладной физики (APH) и Института нанотехнологий KIT (INT).
Понимание и извлечение пользы из квазичастиц, таких как ротоны, - одна из самых сложных задач квантовой физики. Физик Лев Ландау, получивший Нобелевскую премию в 1962 году за свою новаторскую работу, предсказал их существование в контексте сверхтекучести (состояние, при котором жидкость теряет свое внутреннее трение и становится почти идеальным образом теплопроводной). До сих пор ротоны можно было наблюдать только в особых квантово-физических условиях при очень низких температурах - и поэтому они не подходили для технических приложений.
Ротоны без каких-либо квантовых эффектов
Это может измениться в будущем: в кластере передовых технологий 3D Matter Made to Order KIT и Гейдельбергского университета группа исследователей работает над метаматериалами, которые «выращивают» ротоны. Метаматериалы обладают оптическими, акустическими, электрическими или магнитными свойствами, которые не встречаются в природе.
Ученые предлагают искусственный материал, который может производить ротоны без каких-либо квантовых эффектов при нормальных условиях окружающей среды и почти на случайных частотах или длинах волн. Таким образом, в будущем может появиться возможность лучше управлять звуковыми волнами в воздухе или в материалах, например, чтобы отразить их, перенаправить или создать эхо.
Эти материалы еще не были продемонстрированы экспериментально, однако должно быть возможно производить их с использованием таких технологий, как сверхточная трехмерная лазерная печать.
3D-печать - выход из цифрового мира в физический
Доктор И Чен, ведущий автор работы, объясняет, что исследователи полагались на комбинацию отражения, множества дискуссий, численного моделирования и оптимизации, чтобы разработать компьютерный виртуальный дизайн материалов с такими новыми свойствами, пишет EurekAlert.
«В общем, наша мечта - разрабатывать материалы на компьютере, а затем превратить их прямо в реальность - без многолетних проб и ошибок. Таким образом, 3D-печать - это всего лишь автоматический преобразователь цифрового мира в физический », - объясняет профессор Мартин Вегенер.
Написать комментарий