Forskare vid Advanced Science Research Center (ASRC) vid The Graduate Center vid City University of New York och vid City College of New York (CCNY) har utvecklat ett metamaterial som kan transportera ljud på ovanligt robusta sätt längs kanterna och lokalisera det i dess hörn.

Enligt en ny artikel publicerad idag Naturmaterial , det nyutvecklade materialet skapar en robust akustisk struktur som på ovanliga sätt kan styra utbredning och lokalisering av ljud även när det finns fabrikationsfel. Denna unika egenskap kan förbättra tekniker som använder ljudvågor, som ekolod och ultraljudsanordningar, gör dem mer motståndskraftiga mot defekter.

Forskningen är ett samarbete mellan laboratorierna av Alexander Khanikaev, en professor vid avdelningarna för elektroteknik och fysik vid CCNY som också är ansluten till ASRC, och av Andrea Alù, chef för ASRC:s fotoniska initiativ. Deras framsteg är baserat på arbete som förde ett matematikfält som kallas topologi in i materialvetenskapliga världen. Topologi studerar egenskaper hos ett objekt som inte påverkas av kontinuerliga deformationer. Till exempel, en munk är topologiskt ekvivalent med ett plaströr, eftersom de båda har ett hål. Det ena skulle kunna formas in i det andra genom att sträcka ut och deformera föremålet, och utan att riva den eller lägga till nya hål.

Med hjälp av topologiska principer, forskare förutspådde och upptäckte senare topologiska isolatorer - specialmaterial som endast leder elektriska strömmar på sina kanter, inte i stort. Deras ovanliga ledningsegenskaper härrör från topologin i deras elektroniska bandgap, och de är därför ovanligt resistenta mot kontinuerliga förändringar, som störning, buller eller brister.

"Det har varit stort intresse för att försöka utvidga dessa idéer från elektriska strömmar till andra typer av signaltransport, i synnerhet inom områdena topologisk fotonik och topologisk akustik, "Alù säger." Det vi gör är att bygga speciella akustiska material som kan styra och lokalisera ljud på mycket ovanliga sätt. "

För att designa sitt nya akustiska metamaterial, teamet 3D-tryckt en serie små trimers, arrangerad och ansluten i ett triangulärt galler. Varje trimerenhet bestod av tre akustiska resonatorer. Trimers rotationssymmetri, och den generaliserade kirala symmetrin hos gallret, gav strukturen unika akustiska egenskaper som härrör från topologin i deras akustiska bandgap.

Resonatorernas akustiska lägen hybridiserade, vilket ger upphov till en akustisk bandstruktur för hela objektet. Som ett resultat, när ljud spelas vid frekvenser utanför bandgapet kan det sprida sig genom huvuddelen av materialet. Men när ljud spelas med frekvenser inuti bandgapet, den kan bara resa längs triangelns kanter eller vara lokaliserad i dess hörn. Denna fastighet, Alù säger, påverkas inte av störningar eller fabrikationsfel.

"Du kan helt ta bort ett hörn, och vad som än är kvar kommer att bilda gallerens nya hörn, och det kommer fortfarande att fungera på ett liknande sätt, på grund av robustheten hos dessa egenskaper, "Sa Alù

För att bryta dessa egenskaper, forskare var tvungna att minska materialets symmetri med, till exempel, byta koppling mellan resonator enheter, som ändrar topologin i bandstrukturen och därmed ändrar materialets egenskaper.

"Vi har varit de första att bygga ett topologiskt metamaterial för ljud som stöder olika former av topologisk lokalisering, längs kanterna och dess hörn. ", Sa Khanikaev. "Vi visade också att avancerade tillverkningstekniker baserade på 3D-tryckta akustiska element kan förverkliga geometrier av godtycklig komplexitet i en enkel och flexibel plattform, öppna störande möjligheter inom området akustiska material. Vi har nyligen arbetat med ännu mer komplexa 3D-metamaterialdesigner baserade på dessa tekniker, vilket kommer att ytterligare utöka egenskaperna hos akustiska material och utöka kapaciteten hos akustiska enheter ".

"Vi visar, i grunden att det är möjligt att möjliggöra nya former av ljudtransporter som är mycket mer robusta än vad vi är vana vid. Dessa fynd kan hitta tillämpningar vid ultraljudsavbildning, undervattensakustik och ekolodsteknik, "Sa Alù.