Genom att spela upp inspelat ljud från digital lagring kan vi njuta av musik utan att ett musikinstrument är fysiskt närvarande för att generera resonansljud. I ett till synes orelaterat område som kallas metamaterial, forskare designar olika fysiska strukturer som också resonerar med ljud eller ljus, att uppnå många spännande fenomen som negativ brytning och osynlighet.

Nyligen, forskare från Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), i samarbete med Seoul National University i Korea, har insett vad de kallade ett virtualiserat akustiskt metamaterial, vid digitalisering av materialrespons på ett impulssvar lagrat i ett program. En sådan digital representation är vanlig vid signalbehandling för att konstruera filter men nu som en ny applikation för materialvetenskap. Den digitala representationen ersätter de tidigare fysiska strukturerna, lämnar bara en samling mikrofoner och högtalare sammankopplade med en bakre mikroprocessor. Metamaterialets impulsrespons är nu helt enkelt ett mjukvaruprogram för att generera någon spridd våg med en skräddarsydd frekvensdispersion. Som sådan, Metamaterialens svar kan göras godtyckligt och flexibelt justeras genom att bara klicka på knappen.

Deras resultat publicerades i tidskriften Naturkommunikation den 14 januari 2020.

"Det nuvarande tillvägagångssättet inom metamaterialforskning efterliknar svaret från naturliga atomer av artificiellt konstruerade med hjälp av resonansfysiska strukturer. Men det lider länge under en begränsning av att egendomen inte kan justeras enkelt i ett stort intervall och dynamiskt, "sade professor Jensen Li Tsan-Hang vid institutionen för fysik, HKUST, som ledde forskningen. "Detta är särskilt viktigt för många realistiska tillämpningar, som bredbandsstealth, som måste fungera i en dynamisk och i en stringent miljö. "

"Vårt arbete tar itu med detta problem och ger ett genomförbart tillvägagångssätt för att digitalisera svaret till ett program. En digital representation av ett metamaterial, genom att låna ett populärt koncept av impulsrespons vid signalbehandling, metamaterialets svar kan justeras och ändras genom att bara klicka på knappen för att ändra programvaran, "Sade Li.

Medan metamaterial har visat höga kommersiella värden när det gäller deras överlägsna prestanda när det gäller ljudisolering, gör kompakta metalinser, etc., en sådan virtualiseringsteknik kommer att ytterligare lägga till en enorm avstämning när det gäller funktioner, tilldela en annan betydelse till "meta, "och tillåter metamaterial att göra bredbandsstealth, aktiv ljudabsorption, superupplöst avbildning, och vidare.

"Med vårt tillvägagångssätt, vi kan enkelt gå in i den aktiva regimen för metamaterial, förutom den avstämbarhet som vi har nämnt. Extern elektronik, i jämförelse med konventionella metamaterial som består av passiva fysiska strukturer, kan alltid ge kraft till metamaterialen, "sade prof. Namkyoo Park, vid Institutionen för el- och datateknik, Seoul National University. "Vi är inte begränsade till metamaterial som bara kan vara passiva eller försvinnande kraft; alla aktiva svar kan enkelt specificeras. Vi bevisar detta i vårt arbete genom att realisera ett metamaterial med förstärkt överföring som är mycket större än värde ett."

"Genom att ersätta den resonerande fysiska strukturen med en designer matematisk konvolutionskärna med en snabb digital signalbehandlingskrets, vi visar en avkopplad kontroll av den effektiva bulkmodulen och massdensiteten för akustiska metamaterial på begäran genom en programvarudefinierad frekvensdispersion, "sa professor Li." Tillhandahåller fritt mjukvarukonfigurerbar amplitud, mittfrekvens, och bandbredd för frekvensdispersion, vårt tillvägagångssätt lägger till en ytterligare dimension för att konstruera icke-ömsesidiga, icke-hermitisk, och topologiska system med tidsvarierande förmåga som potentiella tillämpningar. "

Nästa steg i forskargruppen kommer att innebära att man bygger upp en mycket större version av metatomer av ett metamaterial, vilket gör det möjligt för forskare att ytterligare manipulera ljudvågor med egenskaper som går utöver den nuvarande metamaterialgenerationen, som osynlighet för bredband, extrem icke-ömsesidig överföring eller ljudisolering.