Forskare vid Duke University och Aalto University (Finland) har konstruerat en "metaspegel" -anordning som perfekt kan reflektera ljudvågor i alla riktningar. Princip-proof-demonstrationen är analog med att titta direkt i en spegel och bara se personen bredvid dig istället för ditt eget ansikte.

Forskningen dök upp online den 15 februari i tidningen Vetenskapliga framsteg .

"När du tittar in i en vardagsspegel, ljuset följer reflektionslagen:ljuset måste studsa av det i samma vinkel som det kom in vid, "sa Junfei Li, doktorand i el- och datateknik vid Duke University. Samma regler gäller i allmänhet för ljud, men "vi ville se om vi istället kunde skicka iväg en våg i en annan riktning."

För att bryta reflektionslagen med ljudvågor, forskarna var tvungna att konstruera en enhet som exakt kunde styra amplitud (ljudstyrka) och hastighet genom hela vågen, vilket är ännu svårare än det låter.

"Ett sätt vi kan uppnå detta är genom att magiskt starta en exakt kontrollerad ljudvåg som" slår "den inkommande ljudvågen som bollar på ett biljardbord, "sade Li." Men att försöka göra det skulle orsaka så mycket besvär att det inte är en praktisk idé. "

Istället för att tillgripa magi, Li och hans kollegor vände sig till metamaterial - konstgjorda material som manipulerar vågor som ljus och ljud genom deras struktur snarare än deras kemi. Till exempel, medan det speciella metamaterial som forskarna designade är tillverkat av plast, det är inte plastens egenskaper som är viktiga; det är formerna på enhetens funktioner som gör det möjligt att styra ljudvågor i alla riktningar.

Metamaterialets yta ser ungefär ut som en våg i sig, etsade med en rad kanaler av olika djup. Dessa djup är konstruerade för att exakt styra hastigheten med vilken ljudvågen reflekterar från olika punkter i metaspegeln. Deras vågliknande positionering styr ljudvågans amplitud.

"Eftersom en ljudvåg bär energi, du måste ge den en kick för att omdirigera den, "sa Steve Cummer, professor i el- och datateknik vid Duke. "Men för att göra detta perfekt, antingen måste du aktivt omfördela energin längs metaspegelns yta, vilket inte är möjligt, eller så måste du smart välja en form där energifördelningen slutar vara densamma överallt. "

När en ljudvåg träffar metaspegeln, den reflekterar bort från sina böjda ytor och stör sig själv. Mellan metaspegelns form och djupet av dess kanaler, detta interferensmönster resulterar i att ljudvågen reflekterar i en önskad riktning utan att någon av dess energi absorberas eller sprids i en oönskad riktning.

I demonstrationskonceptdemonstrationen, metamaterialenheten tar en ljudvåg som färdas direkt mot den vid 3, 000 Hertz, en mycket hög tonhöjd som inte skiljer sig från att få en "ringning i öronen, "och reflekterar det perfekt i en vinkel på 70 grader.

Medan prototypenheten är speciellt anpassad till en frekvens och reflektionsvinkel, forskarna planerar att driva en dynamisk enhet som kan ändra form för att återspegla olika frekvenser i olika riktningar. De planerar också att arbeta med liknande enheter för undervattensakustikapplikationer.

En liknande enhet kan också skapas för att styra ljusvågor, även om dess funktioner skulle behöva konstrueras i en mycket mindre skala, eftersom ljusvåglängderna är kortare. En sådan anordning skulle inte bara kunna reflektera ljus i olika riktningar, dock, det kan också dela upp en enda våg i två godtyckliga riktningar.

"Vi hittade inte bara ett sätt att designa mycket effektiva metasytor, vi kan också anpassa designen för olika funktioner, "sa Ana Díaz-Rubio, en postdoktor vid Aalto University som ledde arbetet med projektets underliggande teori. "Dessa metasytor är en mångsidig plattform för godtycklig kontroll av reflektion."