Die völlig flache phononische Bandstruktur kontrolliert Schall und Vibrationen durch Einfangen von Energie

Ein Team von Forschern des UConn College of Engineering (CoE) hat mit der ersten experimentellen Demonstration einer vollständig flachen phononischen Bandstruktur (AFB) einen wichtigen Meilenstein auf dem Gebiet der Phononik erreicht. Die Phonik befasst sich mit der Untersuchung der Schall- und Wärmekontrolle.

Der Durchbruch, detailliert in einem Artikel gerade veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchungstellt eine neue Klasse von Materialien vor, die in der Lage sind, Schall und Vibrationen auf einzigartige Weise zu kontrollieren, indem sie Energie mit beispielloser Intensität einfangen, und spannende Möglichkeiten für potenzielle Anwendungen in der Akustik, Vibrationsisolierung, Energiegewinnung und darüber hinaus bieten.

Die von Professor Osama Bilal, Direktor des Wave Engineering Laboratory for Extreme and Intelligent Matter (We-Xite), gemeinsam mit dem Doktoranden Mahmoud Samak geleitete Arbeit erschließt ein neues Rezept für technische Materialien mit exotischem Verhalten. In den Experimenten erfülle das Material eine Doppelfunktion, erklärt Bilal, indem es gleichzeitig ein perfektes Schallvakuum und Wellenverstärker sei.

„Ein flaches Band in einer Bandstruktur ist ein ganz besonderer Frequenzbandtyp, bei dem die Gruppengeschwindigkeit über alle Wellenzahlen hinweg Null bleibt“, erklärt Bilal. „In der Praxis bedeutet dies, dass sich Schallwellen bei diesen Frequenzen nicht ausbreiten oder zerstreuen, was zu einer Energielokalisierung in der Nähe der Quelle mit extrem hoher Intensität führt.“

„Unsere Methodik zeigt, dass wir Materialien entwerfen können, die Wellen bei allen möglichen Frequenzen isolieren und gleichzeitig Energie bei extremen Intensitäten einfangen können“, sagt Bilal. „Im Gegensatz zu anderen Formen der Wellenlokalisierung, wie sie beispielsweise an künstlichen Gitterdefekten oder topologischen Grenzflächen auftreten, ist die Energielokalisierung in flachen Bändern nicht auf einen bestimmten Punkt im Material, in der Oberfläche oder an der Grenze beschränkt. Diese einzigartige Funktion könnte eine Reihe von Möglichkeiten ermöglichen.“ neuartige Anwendungen, von fortschrittlicher akustischer Tarnung und Schallumleitung bis hin zur Energiegewinnung und Vibrationsisolierung.“

Der Ansatz des Teams begann mit einem einfachen Spielzeugmodell mit Massen und Federn, mit dem sie die notwendigen Bedingungen für die Erzielung einer völlig flachen phononischen Bandstruktur identifizierten. Anschließend nutzten sie eine Kombination aus analytischen Berechnungen, numerischen Simulationen und experimentellen Messungen, um die Machbarkeit ihres Designansatzes zu demonstrieren.

Die entscheidende Innovation, betont Bilal, liege in der Verwendung freischwebender Scheiben mit magnetischen Kopplungen, einer Plattform, die er in den letzten Jahren entwickelt hat und die für die nötige Erdungssteifigkeit sorgt und die Schaffung einer vollständig flachen Bandstruktur für Phononen ermöglicht .

Mit Blick auf die Zukunft plant das Team, seine Designmethodik weiter zu verfeinern und zu untersuchen, wie diese Flachbandmaterialien skaliert und in reale Anwendungen wie Schall- und Vibrationsisolierung, Energiegewinnung für Sensoren oder medizinische Geräte, Schalllinsen usw. integriert werden können akustische Tarnung.

Im Verlauf der Studie hofft das Team, dass weitere Fortschritte bei phononischen Metamaterialien zu noch exotischeren Wellenkontrollfähigkeiten führen werden. Dieser Durchbruch legt auch den Grundstein für die weitere Erforschung von Flachbändern in anderen Arten von Wellenbereichen und bietet eine spannende Grenze für die Forschung in der Wellenphysik und -technik.

„Unsere Studie ist die erste, die zeigt, dass eine völlig flache Bandstruktur für Phononen nicht nur theoretisch möglich ist, sondern auch experimentell realisiert werden kann“, schließt Bilal. „Die Implikationen dieser Arbeit gehen über ein einfaches Laborexperiment hinaus; wir öffnen die Tür zu neuen Technologien in den Bereichen Akustik, Energiegewinnung und möglicherweise Wärmemanipulation.“