Исследователи Хемницкого технического института в Германии изучили свойства функциональных фононных кристаллов с плавным и непрерывным изменением упругих свойств. Физики предложили новый способ создания запрещенных зон в фононных кристаллах. Это позволит в будущем улучшить звукоизоляцию разных объектов. Работа опубликована в журнале Europhysics Letters.
Кошки и другие животные видят в темноте лучше людей потому, что в их глазах есть особая структура — тапетум. Это зеркальный слой, который расположен за сетчаткой глаза. Свет, который попал в глаз и не сфокусировался на сетчатке, отражается от тапетума. Таким образом фотоны получают «второй шанс» попасть на сетчатку, которая отправляет импульсы в зрительный нерв.
Оптики назвали бы тапетум фотонным кристаллом. Это структура, в разных частях которой разный коэффициент преломления. Он показывает, насколько сильно свет меняет направление, проходя через материал. Это происходит потому, что у них есть фотонные запрещенные зоны — это диапазоны энергий, которыми не может обладать фотон, проходя через область кристалла. Поэтому свет не проходит через эти зоны и отражается от них. Если говорить еще точнее, разные части фотонного кристалла имеют разную диэлектрическую проницаемость. В функциональном фотонном кристалле области сменяют друг друга не с резкой периодичностью, а плавно и непрерывно.
Аналогично устроены фононные кристаллы. Фононы — кванты звуковых волн, по аналогии с фотонами — квантами световых волн. Они позволяют управлять распространением звука в разных средах.
Немецкие ученые предлагают создать функциональные фононные кристаллы, упругие свойства которых будут меняться не ступенчато (с заметными и резкими переходами), а непрерывно. Именно упругие свойства отвечают за распространение звука в материале.
Используя компьютерное моделирование, ученые выяснили, что даже небольшие отклонения от стандартной ступенчатой функции вызывают огромные изменения в структуре фононных запрещенных зон материала. Это дает очень полезные свойства для устройств, которые используют такие кристаллы, например для фононных линз и других устройств. Такие свойства будут очень интересны материаловедам и физикам.
«Наша работа предлагает новый путь развития фононных кристаллов. Мы получим возможность создавать фононные запрещенные зоны там, где их не хватает. Если мы сможем экспериментально подтвердить наши предсказания, это исследование найдет применение в мехатронике для создания акусто-механических преобразователей и приводов», — рассказал Дэвид Религ из Хемницкого технического института. Акусто-механические преобразователи способны изменять и фильтровать шумы, например, от автомобиля, реагируя на изменения в них и делая поездку более безопасной.
Благодаря этому исследованию можно будет даже улучшать звукоизоляцию, специальным образом расставляя деревья или деревянные блоки.
Автор: Полина Бринза.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
