Nový metamateriál pro ovládání mechanických vln

U dosud známých metamateriálů je jev negativního lomu symetrický, tj. nerozlišuje mezi kladnými a zápornými úhly dopadu vlnění. Skupina vědců vedená Alessandrem Pitanti a Simone Zanotto z Institutu nanověd (Cnr-Nano) zjistila, že je možné tuto symetrii prolomit vytvořením inovativního metamateriálu mechanicky namáhaného frekvencemi v rozsahu GHz.

Studie publikovaná v Nature Communications představuje pokrok ve schopnosti manipulovat s vysokofrekvenčními mechanickými vlnami a může upřednostnit vývoj moderních technologií založených na nanomechanice GHz.

Metamateriály

Metamateriály jsou materiály s umělou strukturou, složené z mikroprvků konkrétních tvarů, které propůjčují nové vlastnosti, které u běžných materiálů neexistují. Zejména metamateriály jsou zajímavé pro ovládání a manipulaci s elektromagnetickými vlnami a akustickými vlnami. Vědci z Cnr-Nano ve spolupráci s kolegy z Istituto officina dei materiali (Cnr-Iom) a Paul Drude Institute zkonstruovali nový metamateriál, který podléhá fenoménu lomu vln, který dosud nebyl pozorován, kterému se říká „negativní asymetrická refrakce“.

Metamateriály a elektromagnetické vlny

Když vstupují do speciálně strukturovaných metamateriálů, elektromagnetické, akustické a mechanické vlny procházejí zvláštní „odchylkou“ zvanou negativní lom. Dosud známé metamateriály jsou symetrické, tj. nerozlišují mezi kladnými a zápornými úhly dopadu. V novém materiálu navrženém výzkumníky je tato symetrie narušena, jak vysvětluje Simone Zanotto: „Když vlna narazí na metamateriál šikmo, pokračuje v něm a odchýlí se na stejnou stranu, ze které přišla. Toto je negativní refrakce. Metamateriál, který jsme vyvinuli, vykazuje ještě exotičtější chování: je schopen vlnu vychylovat různými způsoby podle toho, ze které strany přichází. Vlny se negativně lámou, když přicházejí z jedné strany a obvykle, když přicházejí z druhé."

Asymetrická negativní refrakce

Vědci získali asymetrický negativní lom využitím poměrně jednoduché struktury materiálu, který je tvořen řadou mikrodutin ve tvaru L vyrytých na vrstvě arsenidu galia.

K vytvoření metamateriálu byly v laboratořích Nest Cnr-Nano a Scuola Normale použity pokročilé techniky nanovýroby vycházející z materiálů vyrobených Giorgio Biasiol v Cnr-Iom. Vzorek byl poté testován mechanickými vlnami výzkumnou skupinou Paula Santose (Paul Drude Institute), která má celosvětově uznávané odborné znalosti v oblasti vysokofrekvenčních mechanických měření systémů v pevné fázi. Díky simulacím konečných prvků, které provedl Alessandro Pitanti, bylo možné interpretovat výsledky a asymetrické chování lomu.

Vysoké frekvence

Volba pracovat na vysokých frekvencích s vlnami v řádu GHz je další novinkou a také značnou technickou výzvou. „Je to řada, která je stále málo prozkoumaná, ale je absolutně zajímavá a relevantní v odvětvích, jako jsou technologie 4G a 5G, stejně jako pro vznikající kvantové komunikační systémy,“ vysvětluje Zanotto. "Do budoucna je také předvídatelné použití vysokofrekvenčních mechanických rezonátorů pro implementaci termomechanických senzorů pro infračervené paprsky".

„Výsledek je důležitým krokem ke kompletní kontrole mechanických vln, protože nám umožňuje rozlišit například vlny přicházející zleva od těch přicházející zprava.“ „Obecněji lze tento výsledek použít i pro vlny s nízkou frekvenční mechanika,“ pokračuje Simone Zanotto, „v principu může s jednoduchým „přeškálováním“ metamateriálu najít uplatnění například i při vychylování seismických vln za účelem ochrany budov“. „Dalším horizontem je začlenění kvantových emitorů/senzorů – na této úrovni by naše systémy mohly hrát důležitou roli v budoucích platformách pro kvantové výpočty a komunikaci.

navrhování BlogInnovazione.it

​