Bei schwachem Licht sieht eine Katze viel besser als Sie, ebenso wie Hunde und nachtaktive Tiere. Das liegt daran, dass die Struktur des Katzenauges über ein Tapetum lucidum verfügt, eine spiegelartige Schicht direkt hinter der Netzhaut. Licht, das in das Auge eindringt und nicht von der Linse auf die Netzhaut fokussiert wird, wird vom Tapetum lucidum reflektiert, wo die Netzhaut eine weitere Chance erhält, das Licht zu empfangen, zu verarbeiten und Impulse an den Sehnerv zu senden.
Optiker nennen dies einen photonischen Kristall. Bei einer Katze sind es periodische parallele Stäbchen – sie enthält photonische Bandlücken, die zur Modifizierung des Lichtflusses verwendet werden, ähnlich den Elektronenbandlücken in Halbleitern, bei denen es sich um Energiebereiche handelt, in denen keine Elektronenenergiezustände existieren. Diese Materialien weisen Veränderungen auf Brechungsindex und so die Ausbreitung des Lichts verändern und umlenken.
Ein weiteres Beispiel sind die reflektierenden Markierungen auf dem Straßenbelag von Autobahnen, die nachts durch die Scheinwerfer eines Autos leuchten. Photonische Kristalle wie letztere werden über Schichten dünner Filme mithilfe von Fotolithographie, Lochbohren, Laserschreiben und anderen Techniken hergestellt.
Photonische Kristalle verhindern das Licht bestimmter Frequenzen in den Teilen des kristallinen Mediums, durch die das Licht wandert. Gemäß der wissenschaftlichen Definition weisen solche Kristalle periodische, unterschiedliche Bereiche mit jeweils einer periodischen Dielektrizitätskonstante auf.
Ein Dielektrikum ist ein elektrisch isolierendes Material ohne freie Elektronen oder Atome, das dem Elektronenfluss entgegenwirkt, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Stattdessen polarisiert ein dielektrisches Material, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, wobei alle Moleküle in die gleiche Richtung zeigen. Destilliertes Wasser – gereinigtes Wasser, das keine Mineralien enthält – ist ein dielektrisches Material, ebenso wie Glas, Porzellan, trockene Luft, Papier und viele andere Materialien. Dielektrika werden in Kondensatoren, Flüssigkristallanzeigen und anderen Geräten verwendet.
In Erweiterung dieses Konzepts sind „funktionelle photonische Kristalle“ Materialien, die eine gleichmäßige, kontinuierliche Änderung des Brechungsindex anstelle einer scharfen, ausgeprägten Periodizität aufweisen. Dies ermöglicht eine schnelle elektronische Steuerung der Materialeigenschaften.
Die gleichen Konzepte gibt es für phononische Kristalle. Phononen sind quantisierte Schallwellen, ebenso wie Photonen quantisierte Lichtwellen. Ein phononischer Kristall ist ein Festkörper mit kontinuierlichen Änderungen seiner Eigenschaften, wodurch eine Bandlücke für photonische Energien entsteht. Künstliche Strukturen mit periodischer Variation elastischer Parameter können die Ausbreitung elastischer Wellen manipulieren.
Jetzt schlägt ein Team unter der Leitung von David Röhlig an der Technischen Universität Chemnitz in Deutschland vor, funktionelle phononische Kristalle mit sanften und kontinuierlichen Änderungen der elastischen Eigenschaften anstelle strenger periodischer Variationen zu schaffen. Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Europhysics-Briefe.
Der Brechungsindex für Schall würde sich stattdessen im sich ausbreitenden Medium kontinuierlich ändern Stufenfunktion Diskontinuitäten. In der Natur sind solche Stoffe für die langwellige Ausbreitung von Schallwellen im Wasser und gebogenen Schallwellen in der unteren Atmosphäre verantwortlich.
Mithilfe leistungsstarker Computersimulationen konzentrierte sich das Team darauf, die Auswirkung einer kleinen Abweichung der Materialeigenschaften von der typischen Sprungfunktionsdiskontinuität auf die phononische Dichte von Energiezuständen zu verstehen.
Ihre Ergebnisse waren überraschend: Schon kleine Abweichungen von der idealen Stufenfunktion eines Materials können große, radikale Veränderungen in der phononischen Bandstruktur verursachen. Dies würde zur Entstehung vieler gesuchter Merkmale führen, wie etwa größere Phononenbandlücken und mehrere Phononenbandlücken.
Da sich die phononische Zustandsdichte bereits bei kleinen Änderungen der Materialeigenschaften so schnell ändern kann, würden sich solche Eigenschaften beispielsweise bei der Herstellung phononischer Linsen in festen Materialien oder Wasser oder für neue Geräte in den Materialwissenschaften, der angewandten Physik und der Technik als nützlich erweisen .
„Unsere Ergebnisse eröffnen eine neue Perspektive auf phononische Strukturen“, sagte Röhlig, „und bieten eine zusätzliche Möglichkeit, die Bildung von Bandlücken in bestimmten Geometrien zu induzieren, denen diese Eigenschaft fehlt.“ Röhlig weist darauf hin, dass die schnelle Konvergenz der Zustandsdichte bei sich ändernden Schrittfunktionsparametern kontinuierlicher wird, und stellt fest, dass die schnellen Änderungen potenzielle Fertigungsansätze rationalisieren würden.
„Wenn weitere Studien unsere Vorhersagen experimentell bestätigen können, könnten unsere Ergebnisse Anwendung in der Mikrotechnologie finden Mechatronik für den Entwurf akustomechanischer Wandler und Aktoren“, sagte er.
Auch großräumige Umgebungen könnten gestaltet werden, „z. B. durch die Anordnung von Bäumen oder anderen hölzernen Baueinheiten, [objects] die ein bekanntes oder speziell entwickeltes radial kontinuierliches Parameterprofil hinsichtlich Dichte und elastischen Eigenschaften aufweisen, um den Umgebungsschallschutz zu verbessern.“
Mehr Informationen:
David Röhlig et al, Funktion phononischer Kristalle, Europhysics-Briefe (2024). DOI: 10.1209/0295-5075/ad1de9
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