I svagt ljus ser en katt mycket bättre än du, liksom hundar och nattdjur. Det beror på att strukturen i ett kattöga har ett tapetum lucidum, ett spegelliknande lager omedelbart bakom näthinnan. Ljus som kommer in i ögat och som inte fokuseras av linsen på näthinnan reflekteras från tapetum lucidum, där näthinnan får en ny chans att ta emot ljuset, bearbeta det och skicka impulser till synnerven.

Optiska forskare kallar detta en fotonisk kristall. För en katt är det periodiska parallella stavar - den innehåller fotoniska bandgap som används för att modifiera ljusflödet, liknande elektronbandgapen i halvledare, som är energiområden där inga elektronenergitillstånd existerar. Dessa material har förändringar i deras brytningsindex och modifierar och omdirigerar därför ljusets utbredning.

Ett annat exempel är de reflekterande markörerna på trottoaren på motorvägar som lyser på natten från en bils strålkastare. Fotoniska kristaller, liksom de senare, tillverkas via lager av tunna filmer med hjälp av fotolitografi, hålborrning, laserskrivning och andra tekniker.

Fotoniska kristaller förbjuder ljus av vissa frekvenser i de delar av det kristallina mediet som ljuset färdas genom. Enligt vetenskapens definition har sådana kristaller periodiska, distinkta regioner var och en med en periodisk dielektricitetskonstant.

Ett dielektrikum är ett elektriskt isolerande material, utan fria elektroner eller atomer, som motverkar flödet av elektroner när ett elektriskt fält appliceras. Istället polariseras ett dielektriskt material när ett elektriskt fält appliceras, med alla dess molekyler pekar i samma riktning. Destillerat vatten – renat vatten som inte innehåller några mineraler – är ett dielektriskt material, liksom glas, porslin, torr luft, papper och många andra material. Dielektrikum används i kondensatorer, skärmar med flytande kristaller och andra enheter.

För att utvidga detta koncept är "funktionsfotoniska kristaller" material som har en jämn, kontinuerlig förändring av brytningsindex, istället för en skarp, distinkt periodicitet. Detta möjliggör snabb elektronisk kontroll av ett material egenskaper.

Samma koncept finns för fononiska kristaller. Fononer är kvantiserade ljudvågor, precis som fotoner är kvantiserade ljusvågor. En fononisk kristall är en fast substans med kontinuerliga förändringar i dess egenskaper, vilket skapar ett bandgap för fotoniska energier. Konstgjorda strukturer med en periodisk variation av elastiska parametrar kan manipulera utbredningen av elastiska vågor.

Nu föreslår ett team under ledning av David Röhlig vid Technische Universität Chemnitz i Tyskland att skapa funktionsfononiska kristaller, med jämna och kontinuerliga förändringar i elastiska egenskaper istället för strikta periodiska variationer. Forskningen är publicerad i tidskriften Europhysics Letters .

Brytningsindexet för ljud skulle kontinuerligt förändras inuti det utbredningsmediet, istället för stegfunktionsdiskontinuiteter. I naturen är sådana ämnen ansvariga för långvågsutbredning av ljudvågor i vatten och böjda ljudvågor i den lägre atmosfären.

Med hjälp av högpresterande datorsimuleringar fokuserade teamet på att förstå effekten av en liten avvikelse i materialegenskaper från den typiska stegfunktionsdiskontinuiteten på den fononiska tätheten av energitillstånd.

Deras resultat var överraskande:även bara små avvikelser från den ideala stegfunktionen hos ett material kunde orsaka stora, radikala förändringar i den fononiska bandstrukturen. Detta skulle leda till uppkomsten av många eftertraktade funktioner, såsom större fononbandgap och flera fononbandgap.

Eftersom den fononiska densiteten av tillstånd kan ändras så snabbt för endast små förändringar i materialegenskaperna, skulle sådana egenskaper visa sig vara användbara för att till exempel göra fononiska linser i fasta material eller vatten, eller för nya enheter inom materialvetenskap, tillämpad fysik och teknik. .

"Våra fynd presenterar ett nytt perspektiv på fononiska strukturer," sa Röhlig, "erbjuder en ytterligare väg att inducera bandgapbildning i specifika geometrier som saknar denna egenskap." Röhlig noterar att den snabba konvergensen av tillståndstätheten när stegfunktionsparametrarna ändras till att bli mer kontinuerliga, noterar Röhlig att de snabba förändringarna skulle effektivisera potentiella tillverkningsmetoder.

"Om ytterligare studier kan validera våra förutsägelser experimentellt, kan våra resultat hitta tillämpningar inom mikroteknik och mekatronik för design av akustomekaniska givare och ställdon," sade han.

Även storskaliga miljöer skulle kunna formas, "som att arrangera träd eller andra träbyggnadsenheter, [objekt] som har en känd eller specialdesignad radiellt kontinuerlig parameterprofil avseende densitet och elastiska egenskaper, för att förbättra omgivande ljudisolering."

Mer information: David Röhlig et al, Function fononiska kristaller, Europhysics Letters (2024). DOI:10.1209/0295-5075/ad1de9

Journalinformation: Europhysics Letters (EPL)

© 2024 Science X Network