Novi metamaterijal za kontrolu mehaničkih talasa

U do sada poznatim metamaterijalima, fenomen negativne refrakcije je simetričan, tj. ne pravi razliku između pozitivnih i negativnih kutova upada valova. Grupa naučnika predvođena Alessandrom Pitantijem i Simoneom Zanotto sa Instituta za nanonauke (Cnr-Nano) otkrila je da je moguće razbiti ovu simetriju stvaranjem inovativnog metamaterijala mehanički napregnutog frekvencijama u GHz opsegu.

Studija, objavljena u Nature Communications, predstavlja napredak u sposobnosti manipulisanja visokofrekventnim mehaničkim talasima i može favorizovati evoluciju modernih tehnologija zasnovanih na GHz nanomehanici.

Metamaterijal

Metamaterijali su materijali sa umjetnom strukturom, sastavljeni od mikroelemenata određenih oblika, koji daju nova svojstva koja ne postoje u uobičajenim materijalima. Metamaterijali su posebno zanimljivi za kontrolu i manipulaciju elektromagnetnim valovima i akustičnim valovima. Istraživači Cnr-Nano, u saradnji sa kolegama iz Istituto officina dei materiali (Cnr-Iom) i Instituta Paul Drude, konstruisali su novi metamaterijal koji podleže fenomenu prelamanja talasa koji nikada ranije nije primećen, za koji se naziva „negativan asimetrična refrakcija”.

Metamaterijal i elektromagnetski talasi

Kada uđu u posebno strukturirane metamaterijale, elektromagnetski, akustični i mehanički valovi prolaze kroz određeno 'odstupanje' zvano negativna refrakcija. Do sada poznati metamaterijali su simetrični, tj. ne razlikuju pozitivne i negativne upadne uglove. U novom materijalu koji su konstruirali istraživači, ova simetrija je narušena, kako objašnjava Simone Zanotto: „Kada val koso udari u metamaterijal, on se nastavlja unutar njega, skrenut prema istoj strani s koje je stigao. Ovo je negativna refrakcija. Metamaterijal koji smo razvili pokazuje još egzotičnije ponašanje: sposoban je da odbije val na različite načine ovisno s koje strane dolazi. Talasi se negativno lome kada dolaze s jedne strane i obično kada dolaze s druge."

Asimetrična negativna refrakcija

Istraživači su dobili asimetričnu negativnu refrakciju koristeći prilično jednostavnu strukturu materijala, koja se sastoji od niza mikro šupljina u obliku slova L ugraviranih na sloju galij arsenida.

Za stvaranje metamaterijala korištene su napredne tehnike nanofabrikacije u laboratorijama Nest Cnr-Nano i Scuola Normale počevši od materijala koje je proizveo Giorgio Biasiol u Cnr-Iomu. Uzorak je zatim testiran mehaničkim talasima od strane istraživačke grupe Paula Santosa (Paul Drude Institute) koja ima globalno priznatu ekspertizu u visokofrekventnim mehaničkim merenjima sistema u čvrstom stanju. Zahvaljujući simulacijama konačnih elemenata koje je proveo Alessandro Pitanti bilo je moguće interpretirati rezultate i asimetrično ponašanje refrakcije.

Visoke frekvencije

Izbor rada na visokim frekvencijama sa talasima reda GHz je još jedna novina, ali i značajan tehnički izazov. “To je raspon koji je još uvijek malo istražen, ali je od apsolutnog interesa i značaja u sektorima kao što su 4G i 5G tehnologije, kao i za nove kvantne komunikacione sisteme”, objašnjava Zanotto. "U budućnosti je predvidljiva i upotreba visokofrekventnih mehaničkih rezonatora za implementaciju termomehaničkih senzora za infracrvene zrake".

“Rezultat je važan korak ka potpunoj kontroli mehaničkih valova, jer nam omogućava da razlikujemo, na primjer, valove koji dolaze s lijeve strane od onih koji dolaze s desne strane.” frekvencijska mehanika“, nastavlja Simone Zanotto, „U principu, jednostavnim 'reskaliranjem' metamaterijala može naći primjenu, na primjer, čak i u devijaciji seizmičkih talasa u cilju zaštite zgrada. „Drugi horizont je uključivanje kvantnih emitera/senzora – na ovom nivou, naši sistemi bi mogli igrati važnu ulogu u budućim platformama za kvantno računanje i komunikaciju.

izrada BlogInnovazione.it

​