Fokussierung mikromechanischer Polaritonen in topologisch nichttrivialen hyperbolischen Metaoberflächen

Dr. Johan Christensen, Leiter der Forschungsgruppe für mechanische und akustische Metamaterialien am IMDEA Materials Institute, ist einer der Forscher hinter einer bahnbrechenden Studie zur Erforschung der topologischen Eigenschaften von Metamaterialien.

Diese neueste Forschung mit dem Titel „Fokussierung mikromechanischer Polaritonen in topologisch nichttrivialen hyperbolischen Metaoberflächen“ und veröffentlicht In Fortgeschrittene Werkstoffehat aufgrund seines Potenzials, die Wellenmanipulation durch nicht-triviale und defektresistente Eigenschaften topologischer Metamaterialien zu revolutionieren, große Aufmerksamkeit erregt. Die Studie wurde auf dem Titelblatt der Zeitschrift vorgestellt.

Topologische Metamaterialien zeichnen sich durch ihren topologischen Schutz der Oberflächenzustände aus, was sie von herkömmlichen Materialien unterscheidet. In den Bereichen Akustik und Elastizität manifestieren sich diese Oberflächenzustände als lokalisierte Schwingungen an der Schnittstelle zwischen dem Metamaterial und seiner Umgebung.

Im Gegensatz zu typischen Schallwellen, die sich durch die Masse des Materials ausbreiten, sind diese Oberflächenzustände außerordentlich robust und behalten ihre Eigenschaften sogar bei geringfügigen Abweichungen oder Unvollkommenheiten im Material.

Dr. Christensen und seinem Team ist ein bemerkenswerter Fortschritt gelungen, indem sie die Oberflächen elastischer Metamaterialien mit mikrometergroßen Säulen strukturierten.

„Diese sorgfältige Musterung, die wir in dieser neuesten Arbeit erreichen konnten, beinhaltet spezifische Symmetrien, die die Leistung der Metamaterialien verbessern sollen“, erklärte Dr. Christensen.

„Bemerkenswerterweise konnten wir sowohl chirale als auch Spiegelsymmetrien nutzen, um die Robustheit der topologischen Zustände zu erhöhen.“

Wesentliche Bestandteile des Designs waren sowohl die chirale Symmetrie, die sich durch die Eigenschaft von Objekten oder Molekülen auszeichnet, dass diese nicht auf ihr Spiegelbild projiziert werden können, als auch die Spiegelsymmetrie, bei der Objekte mit ihrem Spiegelbild identisch erscheinen.

„Die präzise Anordnung der Säulen stellte das Vorhandensein dieser Symmetrien sicher und verbesserte die Art und Belastbarkeit der topologischen Zustände erheblich“, fügte Dr. Christensen hinzu.

An der neuesten Veröffentlichung waren neben Dr. Christensen auch Dr. Liyang Zheng von der Universität Carlos III in Madrid und Prof. Minghui Lu von der Universität Nanjing, China, beteiligt.

Die Forschung zeigte, dass hochgerichteter Ultraschall bei therapeutischen Frequenzen im niedrigen MHz-Bereich fokussiert werden kann. Dieser Durchbruch, der durch die Kombination von chiraler und Spiegelsymmetrie ermöglicht wurde, führte zu einer äußerst widerstandsfähigen Leistung und Robustheit gegenüber Fertigungsfehlern und Störungen.