Akustiska vågor i gaser, vätskor, och fasta ämnen rör sig vanligtvis med en nästan konstant ljudhastighet. Så kallade rotoner är ett undantag:deras ljudhastighet förändras avsevärt med våglängden, och det är också möjligt att vågorna färdas bakåt. Forskare vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT) studerar möjligheterna att använda rotoner i konstgjorda material. Dessa datordesignade metamaterial, producerad av ultraprecis 3D-lasertryck, kan användas i framtiden för att manipulera eller styra ljud på sätt som aldrig tidigare varit möjliga. En rapport om forskarnas arbete har publicerats i Naturkommunikation .

Rotoner är kvasipartiklar, vilket innebär att de beter sig på samma sätt som fria partiklar. Till skillnad från vanliga akustiska vågor i gaser, vätskor, och fasta ämnen, ljudets hastighet förändras avsevärt med våglängden. Dessutom, vissa frekvenser genererar tre olika delvågor. "Den långsammaste bland dem är en bakåtvåg:energiflödet och vågfronterna löper i exakt motsatta riktningar, "förklarar professor Martin Wegener från Institute of Applied Physics (APH) och KIT's Institute of Nanotechnology (INT). Att förstå och dra nytta av kvasipartiklar som rotoner är en av kvantfysikens stora utmaningar. Fysikern Lev Landau, som vann ett Nobelpris 1962 för sitt banbrytande arbete, förutspådde deras existens i samband med överflödighet, ett tillstånd där en vätska tappar sin inre friktion och blir värmeledande på ett nästan idealiskt sätt. Tills nu, rotoner kunde endast observeras under speciella kvantfysiska förhållanden vid mycket låga temperaturer-och var därför inte lämpliga för tekniska tillämpningar.

Rotoner utan några kvanteffekter

Detta kan förändras i framtiden:i 3D Matter Made to Order Cluster of Excellence för KIT och University of Heidelberg, en grupp forskare arbetar med metamaterial som "odlar" rotoner. Metamaterial uppvisar optiska, akustisk, elektrisk, eller magnetiska egenskaper som inte finns i naturen. Forskarna föreslår ett artificiellt material som kan producera rotoner utan några kvanteffekter under normala omgivningsförhållanden och vid nästan slumpmässiga frekvenser eller våglängder. Således, det kan vara möjligt att i framtiden manipulera ljudvågor i luft eller i material, till exempel, att studsa dem tillbaka, omdirigera dem, eller skapa ekon. Dessa material har ännu inte demonstrerats experimentellt; dock, det ska vara möjligt att producera dem med hjälp av tekniker som ultraprecis 3D-laserutskrift. "Vi har till och med gjort några av dessa metamaterial under tiden, "Professor Martin Wegener säger." För närvarande, vi arbetar intensivt med det direkta experimentella beviset för förekomsten av rotoner. "

3D -utskrift - porten från den digitala till den fysiska världen

Dr Yi Chen, huvudförfattare till publikationen, förklarar att forskarna förlitade sig på en kombination av reflektion, många diskussioner och numeriska simuleringar och optimeringar för att utforma datorstödd virtuell design av material med sådana nya egenskaper. Hans arbete som postdoktor vid KIT finansieras av Alexander von Humboldt Foundation och är integrerat i ett Helmholtz-program med titeln "Material Systems Engineering" som lanserades 2021. "I allmänhet, vår dröm är att designa material på datorn och sedan förvandla dem direkt till verklighet - utan år av prövning och fel. Så 3D -utskrift är bara en automatiserad omvandlare, som det var, från den digitala till den fysiska världen, "Professor Martin Wegener förklarar.