Två atomärt tunna kolskivor staplade ovanpå varandra, kallas tvåskiktsgrafen, uppvisar unika egenskaper när ett av lagren vrids i en viss vinkel - en "magisk" vinkel. Studiet av magi och andra vinkelfel mellan två lager av material och deras effekter på materialegenskaper har kallats twistronics, ett snabbt växande område av kondenserad materiens fysik.

För att få twistronics till makroskalan, ett team av Penn State-forskare har designat en akustisk motsvarighet till magisk vinkel dubbelskiktsgrafen. Deras papper antogs nyligen Fysisk granskning B:Snabb kommunikation .

"Att undersöka analoger av fysikkoncept för kondenserad materia kan ge oss nya idéer och tillämpningar inom akustik, " sa Yun Jing, docent i akustik och biomedicinsk teknik.

I en simulering, forskargruppen byggde den akustiska designen från en platt platta innehållande ett hexagonalt mönster av hål analogt med arrangemanget av atomer i grafen på nanoskala. De lade till ytterligare ett grafenliknande plattlager, rikta in plattorna men lämna ett vertikalt luftgap mellan de två, och vred toppplattan. Denna vridning skapade ett karakteristiskt Moiré-mönster – även sett i typisk magisk vinkelgrafen – som resulterade från två överlagrade liknande mönster där det ena är något roterat eller förskjutet.

Forskare simulerade sedan ljudvågornas rörelse inom arrayen. De fann att när vågor fortplantade sig mellan plattorna i vissa vridningsvinklar, akustisk energi koncentrerad kring specifika områden av Moiré-mönstret där hålen i topp- och bottenskikten är i linje. Detta beteende, forskarna sa, speglade elektronernas beteende i magisk vinkelgrafen på atomär skala.

"Elektroner som rör sig genom material som grafen liknar matematiskt akustiska vågor som rör sig genom luften mellan repetitiva strukturer, sa Yuanchen Deng, doktorand i akustik.

Dessa likheter kan hjälpa forskare att teoretiskt utforska ytterligare tillämpningar av konventionell magisk vinkelgrafen utan de begränsningar som kommer med att experimentera med det, sa laget. Deras akustiska system skulle vara lättare att tillverka i ett laboratorium eftersom det inte är designat i nanoskala, Jing sa, och vridningen skulle vara lättare att kontrollera med tanke på provets större storlek.

Forskarna fann också att deras installation skapade nya möjligheter för att utforska magiska vinklar, för vilka befintlig forskning har fokuserat på små vinklar under tre grader. Forskarna kunde manipulera avståndet mellan grafenplattorna för att kontrollera den magiska vinkeln - något extremt svårt för magisk vinkelgrafen på nanoskala. Forskarna fann att deras utveckling gav ett mycket större antal magiska vinklar än man tidigare trott.

"Med en större vridningsvinkel, vi kan minska storleken på strukturen, "Sade Jing. "Prover kommer att bli lättare att simulera och så småningom tillverka."

Koncentrationen av vågenergi på vissa platser i den akustiska grafenmatrisen kan ha tillämpningar för energiskörd. Om grafenplattorna är konstruerade för att vara piezoelektriska i de områden där den akustiska energin är begränsad, de kunde omvandla mekanisk energi från akustiska vågvibrationer till elektrisk energi. Med ytterligare forskning, akustisk magisk vinkelgrafen kan bli lämplig för att samla energi i en mängd olika scenarier.

Forskarna planerar att undersöka ytterligare möjligheter för den akustiska magiska vinkeln grafen samt utöka sin forskning inom områden som rör olika typer av vågor.

"Ta in den här dubbelskiktsuppsättningen i den makroskopiska skalan, du kan experimentera med olika strukturer och vågor, Deng sa. "Vårt system är akustiskt men kan ge feedback för alla system som använder matematiska funktioner som liknar vågekvationer."