Ein neues Metamaterial zur Kontrolle mechanischer Wellen

Bei bisher bekannten Metamaterialien ist das Phänomen der negativen Brechung symmetrisch, das heißt, es unterscheidet nicht zwischen positiven und negativen Einfallswinkeln der Wellen. Eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Alessandro Pitanti und Simone Zanotto vom Nanoscience Institute (Cnr-Nano) hat entdeckt, dass es möglich ist, diese Symmetrie zu brechen, indem ein innovatives Metamaterial geschaffen wird, das mechanisch mit Frequenzen im GHz-Bereich belastet wird.

Die in Nature Communications veröffentlichte Studie stellt einen Fortschritt in der Fähigkeit dar, hochfrequente mechanische Wellen zu manipulieren, und kann die Entwicklung moderner Technologien auf der Grundlage der GHz-Nanomechanik unterstützen.

Metamaterialien

Metamaterialien sind Materialien mit einer künstlichen Struktur, die aus Mikroelementen mit bestimmten Formen bestehen, um beispielsweise neue Eigenschaften zu verleihen, die in gewöhnlichen Materialien nicht vorhanden sind. Metamaterialien sind insbesondere für die Kontrolle und Manipulation von elektromagnetischen Wellen und akustischen Wellen interessant. Forscher von Cnr-Nano haben in Zusammenarbeit mit Kollegen vom Institute of Materials Workshop (Cnr-Iom) und dem Paul Drude Institute ein neues Metamaterial entwickelt, bei dem ein nie zuvor beobachtetes Phänomen der Wellenbrechung auftritt, dem der Name gegeben wurde der "negativen asymmetrischen Brechung".

Metamaterialien und elektromagnetische Wellen

Wenn elektromagnetische, akustische und mechanische Wellen in speziell strukturierte Metamaterialien eindringen, erfahren sie eine besondere „Ablenkung“, die als negative Brechung bezeichnet wird. Die bisher bekannten Metamaterialien sind symmetrisch, das heißt, sie unterscheiden nicht zwischen positiven und negativen Einfallswinkeln. In dem neuen Material, das die Forscher entwickelt haben, ist diese Symmetrie gebrochen, wie Simone Zanotto erklärt: „Wenn eine Welle schräg auf ein Metamaterial trifft, setzt sie sich im Inneren fort und wird auf die gleiche Seite abgelenkt, von der sie gekommen ist. Dies ist eine negative Brechung. Das von uns entwickelte Metamaterial zeigt ein noch exotischeres Verhalten: Es ist in der Lage, die Welle je nach Ursprungsseite unterschiedlich abzulenken. Wellen werden negativ gebrochen, wenn sie von der einen Seite kommen, und normal, wenn sie von der anderen kommen.

Negative asymmetrische Refraktion

Die Forscher erzielten eine asymmetrische negative Brechung, indem sie eine ziemlich einfache Struktur des Materials ausnutzten, die aus einer Folge von L-förmigen Mikrohohlräumen besteht, die in eine Schicht aus Galliumarsenid eingraviert sind.

Um das Metamaterial herzustellen, wurden in den Nest-Labors von Cnr-Nano und Scuola Normale fortschrittliche Nanofabrikationstechniken verwendet, ausgehend von Materialien, die von Giorgio Biasiol bei Cnr-Iom hergestellt wurden. Die Probe wurde dann mit mechanischen Wellen von der Forschungsgruppe von Paulo Santos (Paul Drude Institute) getestet, die über eine weltweit anerkannte Expertise in hochfrequenten mechanischen Messungen von Festkörpersystemen verfügt. Dank der von Alessandro Pitanti durchgeführten Finite-Elemente-Simulationen war es möglich, die Ergebnisse und das asymmetrische Brechungsverhalten zu interpretieren.

Hohe Frequenzen

Die Entscheidung, bei hohen Frequenzen mit Wellen in der Größenordnung von GHz zu arbeiten, ist eine weitere Neuheit sowie eine bedeutende technische Herausforderung. „Es ist ein Bereich, der noch nicht erforscht wurde, aber von absolutem Interesse und Relevanz in Sektoren wie 4G- und 5G-Technologien sowie für aufkommende Quantenkommunikationssysteme“, erklärt Zanotto. „Für die Zukunft ist auch der Einsatz hochfrequenter mechanischer Resonatoren zur Realisierung von thermomechanischen Sensoren für Infrarotstrahlen absehbar.“

„Das Ergebnis ist ein wichtiger Schritt hin zur vollständigen Kontrolle mechanischer Wellen, da es beispielsweise erlaubt, die von links einfallenden Wellen von den von rechts einfallenden zu unterscheiden.“ „Allgemeiner kann dieses Ergebnis auch für niedrige Wellen verwendet werden Frequenzmechanik“, so Simone Zanotto weiter, „Im Prinzip kann es mit einer einfachen ‚Umskalierung‘ des Metamaterials Anwendung finden, beispielsweise sogar bei der Ablenkung seismischer Wellen zum Schutz von Gebäuden“. „Ein weiterer Horizont ist die Integration von Quantenemittern / -sensoren – auf dieser Ebene könnten unsere Systeme eine wichtige Rolle in zukünftigen Plattformen für Quantencomputing und -kommunikation spielen.

Abfassung BlogInnovazione.it

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