Инженеры из Калифорнийского технологического института и ETH Zürich в Швейцарии создали метод систематического проектирования метаматериалов с использованием принципов квантовой механики.
Их работа может проложить путь к более широкому использованию метаматериалов в более популярных приложениях, создав целевую структуру для их дизайна.
Метаматериалы - это инженерные материалы, которые используют геометрию своей внутренней структуры для манипулирования входящими волнами. Например, метаматериал, манипулирующий электромагнитными волнами, может необычным образом преломлять свет, создавая маскирующее устройство. Между тем, тонкий акустический метаматериал может отражать входящие звуковые волны, обеспечивая звукоизоляцию помещения.
Эта способность контролировать волны обусловлена структурой материала, часто в микроскопическом масштабе. В 2010 году исследователи Калифорнийского технологического института разработали оптический метаматериал, в котором используется поверхность, покрытая трехмерными структурами, для перенаправления света по желанию. Совсем недавно инженеры Калифорнийского технологического института показали, что плоские поверхности, покрытые крошечными столбиками кремния, могут фокусировать свет подобно линзе.
Представьте себе кристалл - твердое тело, физические свойства которого определяются тем, как оно построено из повторяющегося ряда атомных структур. Атомы углерода, структурированные в виде плоских пластин, создают рассыпчатый графит, а атомы углерода, структурированные в виде тетраэдров, создают сверхтвердые алмазы. Точно так же метаматериалы состоят из повторяющихся серий нано- и микроразмерных структур, которые придают им уникальные свойства.
Несмотря на свои обещания и широкий спектр возможных применений, метаматериалы не будут широко использоваться, если инженеры не смогут спроектировать их так, чтобы они обладали определенными желаемыми свойствами. Хотя в разработке метаматериалов, взаимодействующих с электромагнитными волнами, был достигнут значительный прогресс, в целом разработка механических метаматериалов - тех, которые влияют на механические волны, такие как звуковые волны или сейсмические волны, - остается делом разрозненным, говорит профессор Кьяра Дарайо. машиностроения и прикладной физики в Калифорнийском технологическом институте.
«До нашей работы не существовало единого систематического способа разработки метаматериалов, управляющих механическими волнами, для различных приложений», - говорит она. «Вместо этого люди часто оптимизировали дизайн для достижения определенной цели или пробовали новые проекты, основанные на том, что они видели в природе, а затем изучали, какие свойства возникнут из повторяющихся шаблонов».
Чтобы решить эту проблему, группа под руководством Дарайо, состоящая из аспирантов Марка Серра Гарсиа и Антонио Палермо, аспиранта Кэти Мэтлак и профессора Себастьяна Хубера из Швейцарской высшей технической школы Цюриха, обратилась к квантовой механике. На первый взгляд выбор был маловероятным. Квантовая механика управляет поведением субатомных частиц, часто противоречащим здравому смыслу, и, похоже, не имеет никакого отношения к микро- и макроструктурам метаматериалов, изучаемых командой Дарайо.
Квантовая механика предсказывает существование некоторых экзотических типов материи: среди них «топологический изолятор», который проводит электричество по своей поверхности, а внутри действует как изолятор. Команда Дарайо поняла, что они могут построить макромасштабные версии этих экзотических систем, которые могли бы проводить и изолировать вибрации вместо электричества, используя принципы квантовой механики. В квантовой механике материалы иногда можно описать как ансамбль взаимодействующих частиц. «Представьте, что каждая частица - это крошечная масса, соединенная пружинками со своими соседями», - объясняет она. «Каждая частица реагирует на приходящие волны уникальным образом, который частично определяется реакцией ее соседей. В нашем подходе мы применяем эту модель массы и пружины к макроскопическим упругим материалам, сохраняя их характерные свойства».
Поскольку метаматериалы состоят из массивов геометрических структур (которые могут иметь строительные блоки в нано-, микро- или макромасштабе), которые связаны повторяющимися узорами, Дарайо и ее коллеги поняли, что, представляя каждый повторяющейся структуры в виде ансамбля частиц, можно было бы спроектировать множество различных типов метаматериалов, таких как волноводы, акустические линзы или виброизоляторы.
При ударе набегающей волны каждая повторяющаяся структура в метаматериале может деформироваться различными способами. Эта деформация определяется не только геометрией этой структуры, но и тем, как структуры соединены и как другие структуры вокруг них реагируют. Рассматривая это как систему масс и пружин, команда Дарайо смогла предсказать, как эти системы будут реагировать, а затем спроектировать их так, чтобы они реагировали желаемым образом.
Это сложно, но также и предсказуемо, что является важной частью.
В качестве теоретического доказательства концепции команда Дарайо разработала метаматериалы, состоящие из серии прямоугольных пластин миллиметрового масштаба, каждая из которых слабо связана друг с другом, как часть головоломки. Настроив конструкцию пластин и качество их соединения, команда создала идеальную акустическую линзу, которая фокусирует звук без потери сигнала. Пластины также действуют как волновод, который направляет и замедляет распространение звука. По словам Дарайо, этот метод можно использовать для разработки многих других устройств или датчиков, где необходимы высокая чувствительность, точность или контроль. Работа была опубликована в Nature Materials 15 января.
Хотя работа Дарайо носит теоретический характер и подтверждена с помощью компьютерного моделирования, ее соавторы из ETH использовали этот метод для проектирования и создания кремниевой пластины размером 10 на 10 сантиметров, состоящей из 100 маленьких пластин, соединенных друг с другом тонкими балками. При стимуляции пластины ультразвуком вибрируют только пластины в углах; другие пластины остаются неподвижными, несмотря на их соединения. Устройство может быть использовано в качестве точного волновода в сети связи. Их работа была опубликована в журнале Nature 15 января.
Описанный процесс проектирования также можно использовать для проектирования оптических метаматериалов, антенн и устройств обработки оптических сигналов, говорит Дарайо. Их статья называется «Разработка пертурбативных метаматериалов на основе дискретных моделей». Эта работа финансировалась ETH Zürich и Швейцарским национальным научным фондом.