Нов метаматеријал за контрола на механичките бранови

Кај досега познатите метаматеријали, феноменот на негативна рефракција е симетричен, односно не прави разлика помеѓу позитивни и негативни агли на инциденца на брановите. Група научници предводени од Алесандро Питанти и Симоне Заното од Институтот за нанонаука (Cnr-Nano) открија дека е можно да се прекине оваа симетрија со создавање на иновативен метаматеријал механички под стрес со фреквенции во опсегот на GHz.

Студијата, објавена во Nature Communications, претставува напредок во способноста за манипулирање со механички бранови со висока фреквенција и може да ја олесни еволуцијата на современите технологии базирани на наномеханиката на GHz.

Метаматеријали

Метаматеријалите се материјали со вештачка структура, составени од микроелементи со одредени форми, како што се даваат нови својства што не постојат во вообичаените материјали. Особено, метаматеријалите се интересни за контролирање и манипулирање со електромагнетни бранови и акустични бранови. Истражувачите Cnr-Nano, во соработка со колегите од Институтот за работилница за материјали (Cnr-Iom) и Институтот Пол Друд, изработија нов метаматеријал во кој се појавува феномен на прекршување на брановите никогаш претходно забележан, кој го доби името „асиметричен негативна рефракција“.

Метаматеријали и електромагнетни бранови

Кога влегуваат во специјално структурирани метаматеријали, електромагнетните, акустичните и механичките бранови подлежат на одредено „отстапување“ наречено негативна рефракција. Досега познатите метаматеријали се симетрични, односно не прават разлика помеѓу позитивни и негативни агли на инциденца. Во новиот материјал изработен од истражувачите, оваа симетрија е скршена, како што објаснува Симоне Заното: „Кога бранот косо ќе удри на метаматеријал, тој продолжува внатре во него отстапувајќи кон истата страна од која пристигнал. Ова е негативна рефракција. Метаматеријалот што го развивме покажува уште поегзотично однесување: тој е во состојба да го отфрли бранот различно во зависност од страната од која доаѓа. Брановите се прекршуваат негативно кога доаѓаат од едната страна и на обичен начин кога доаѓаат од другата“.

Асиметрична негативна рефракција

Истражувачите го постигнаа асиметричното негативно прекршување со искористување на прилично едноставна структура на материјалот, кој се состои од низа микро-шуплини во облик на L, врежани на слој од галиум арсенид.

За да се создаде метаматеријал, беа користени напредни техники на нанофабрикување во лабораториите Nest на Cnr-Nano и Scuola Normale, почнувајќи од материјалите произведени од Џорџо Биасиол во Cnr-Iom. Примерокот потоа беше тестиран со механички бранови од страна на истражувачката група на Пауло Сантос (Институт Пол Друд) која има светски призната експертиза за високофреквентни механички мерења на системи со цврста состојба. Благодарение на симулациите на конечни елементи спроведени од Алесандро Питанти, беше можно да се интерпретираат резултатите и однесувањето на асиметричното прекршување.

Високи фреквенции

Изборот за работа на високи фреквенции со бранови во опсегот на GHz е дополнителна новина, како и забележителен технички предизвик. „Тоа е опсег кој сè уште е малку истражен, но од апсолутен интерес и релевантност во секторите како што се 4G и 5G технологиите, како и за новите квантни комуникациски системи“, објаснува Заното. „Во иднина може да се предвиди и употреба на високофреквентни механички резонатори за имплементација на термомеханички сензори за инфрацрвени зраци“.

„Резултатот е важен чекор кон целосна контрола на механичките бранови, бидејќи ни овозможува да разликуваме, на пример, брановите што пристигнуваат од лево од оние што пристигнуваат од десно“ „Поопшто, овој резултат може да се користи и за бранови ниски фреквентна механика“, продолжува Симоне Заното, „Во принцип, со едноставно „рескалирање“ на метаматеријалот може да најде примена, на пример, дури и при отстапување на сеизмичките бранови заради заштита на зградите“. „Друг хоризонт е да се вградат квантни емитери/сензори – на ова ниво, нашите системи би можеле да играат важна улога во идните платформи за квантно пресметување и комуникација.

Изготвување BlogInnovazione.it

​