University of Oregon fysiker har utvecklat en ny metod för att manipulera ljud – stoppa det, vända på det, lagra det och till och med använda det senare - i syntetiska kompositstrukturer som kallas metamaterial.

Upptäckten gjordes med hjälp av teoretisk och beräkningsanalys av de mekaniska vibrationerna hos tunna elastiska plattor, som fungerar som byggstenar för den föreslagna designen. fysikerna, Pragalv Karki och Jayson Paulose, utvecklade också en enklare minimal modell bestående av fjädrar och massor som visar samma signalmanipuleringsförmåga.

"Det har funnits många mekanismer som kan styra eller blockera överföringen av ljudvågor genom ett metamaterial, men vår design är den första som dynamiskt stoppar och vänder en ljudpuls, sa Karki, en postdoktor vid UO:s institution för fysik och Institutet för grundvetenskap.

Samspelet mellan böjstyvhet och den globala spänningen – två fysiska parametrar som styr ljudöverföring i tunna plattor – är kärnan i deras signalmanipuleringsmekanism. Även om böjstyvhet är en materiell egenskap, global spänning är en externt kontrollerbar parameter i deras system.

Karki och Paulose, en biträdande professor i fysik och medlem av Institutet för grundvetenskap, beskrev deras nya mekanism, som de kallar dynamisk dispersion tuning, i en tidning publicerad online den 29 mars i tidskriften Fysisk granskning tillämpas .

"Om du kastar en sten på en damm, du ser krusningarna, " sa Karki. "Men tänk om du kastade stenen och istället för att se krusningar fortplanta sig utåt, ser du bara vattnets förskjutning gå upp och ner vid islagspunkten? Det liknar det som händer i vårt system."

Förmågan att manipulera ljud, ljus eller andra vågor i artificiellt tillverkade metamaterial är ett aktivt forskningsområde, sa Karki.

Optiska eller fotoniska metamaterial, som uppvisar egenskaper som ett negativt brytningsindex som inte är möjligt med konventionella material, utvecklades ursprungligen för att styra ljus på sätt som kunde användas för att skapa osynlighetskappor och superlinser.

Deras användning undersöks i olika applikationer som flyg och försvar, hemelektronik, medicinsk utrustning och energiskörd.

Akustiska metamaterial är vanligtvis statiska och oföränderliga när de väl producerats, och att dynamiskt justera deras egenskaper är en ständig utmaning, sa Karki. Andra forskargrupper har föreslagit flera strategier för att ställa in akustisk transmission, allt från origami-inspirerad design till magnetisk switching.

"I vårat fall, avstämbarheten kommer från förmågan att ändra spänningen hos de trumliknande membranen i realtid, sa Karki.

Ytterligare inspiration, Karki och Paulose noterade, kom från forskning i UO-labbet av fysikern Benjamín Alemán. I Naturkommunikation under 2019, Alemáns grupp avslöjade en grafen nanomekanisk bolometer, ett trumliknande membran som kan upptäcka ljusets färger vid höga hastigheter och höga temperaturer. Tillvägagångssättet utnyttjar en förändring i global spänning.

Medan mekanismen i det nya dokumentet identifierades teoretiskt och måste bevisas i laboratorieexperiment, Karki sa, han är övertygad om att tillvägagångssättet kommer att fungera.

"Vår mekanism för dynamisk dispersionsjustering är oberoende av om du använder akustisk, ljusa eller elektroniska vågor, "Detta öppnar möjligheten att manipulera signaler i fotoniska och elektroniska system också."

Möjligheterna, han sa, inkluderar förbättrad akustisk signalbehandling och beräkning. Designa akustiska metamaterial baserade på grafen, som de som utvecklats i Alemáns labb, kan leda till olika användningsområden som vågbaserad datoranvändning, mikromekaniska transistorer och logiska enheter, vågledare och ultrakänsliga sensorer.

"Vår design kan byggas i mikroskala med grafen och i stor skala med hjälp av trumliknande membranskivor, " sa Karki. "Du slår i kedjan av trummor, skapa ett speciellt ljudmönster som rör sig i en riktning, men genom att stämma spänningen på trummorna, vi kan stoppa ljudet och lagra det för framtida bruk. Det kan vändas eller manipuleras till valfritt antal andra mönster."