2019-01-01 05:26:02
研究人员发现了一种具有固有强大声音传输的超材料

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纽约城市大学研究生中心和纽约城市学院(CCNY)高级科学研究中心(ASRC)的研究人员开发了一种超材料,可以沿着边缘以异常稳健的方式传输声音并对其进行定位。在它的角落。

根据今天发表在“自然材料”杂志上的一篇新论文,新设计的材料创造了一种强大的声学结构,即使在存在制造缺陷的情况下,也能以不寻常的方式控制声音的传播和定位。这种独特的属性可以改进使用声波的技术,例如声纳和超声设备,使它们更能抵抗缺陷。

该研究是亚历山大·卡尼卡耶夫(CCNY电气工程和物理系教授)的实验室之间的合作,该实验室也是ASRC的附属机构,以及ASRC光子学计划主任AndreaAlù。他们的进步是基于将称为拓扑学的数学领域带入材料科学世界的工作。拓扑研究不受连续变形影响的对象的属性。例如,甜甜圈在拓扑上相当于塑料吸管,因为它们都有一个孔。可以通过拉伸和变形物体而不撕裂或添加新孔来将一个模制到另一个中。

研究人员利用拓扑原理预测并随后发现了拓扑绝缘体 - 这种特殊材料仅在其边缘而不是在整体上传导电流。它们不寻常的传导特性源于其电子带隙的拓扑结构,因此它们对连续变化具有异常的抵抗力,例如无序,噪声或缺陷。

“试图将这些想法从电流扩展到其他类型的信号传输,尤其是拓扑光子学和拓扑声学领域,已经引起了很大的兴趣,”Alù说。 “我们正在做的是建造特殊的声学材料,以非常不寻常的方式引导和定位声音。”

为了设计他们新颖的声学超材料,该团队3-D打印了一系列小三聚体,以三角形格子排列和连接。每个三聚体单元由三个声共振器组成。三聚体的旋转对称性和晶格的广义手征对称性赋予结构独特的声学特性,这些特性源于其声学带隙的拓扑结构。

谐振器的声学模式杂化,从而产生整个物体的声学带结构。结果,当在带隙之外的频率播放声音时,它可以通过大部分材料传播。但是当在带隙内的频率上播放声音时,它只能沿着三角形的边缘传播或者位于其角落处。 Alù说,这个属性不受无序或制造错误的影响。

“你可以完全移除一个角落,剩下的任何东西都将形成格子的新角落,并且它仍将以类似的方式工作,因为这些属性的稳健性,”Alù说

为了打破这些特性,研究人员必须通过改变谐振器单元之间的耦合来降低材料的对称性,这会改变带结构的拓扑结构,从而改变材料的特性。

Khanikaev说:“我们是第一个为声音支持不同形式的拓扑定位,沿其边缘和角落构建拓扑超材料的人。” “我们还证明了基于3-D印刷声学元件的先进制造技术可以在简单灵活的平台上实现任意复杂的几何形状,从而在声学材料领域开辟了颠覆性的机会。我们最近开展了更复杂的工作3-基于这些技术的D超材料设计,将进一步扩展声学材料的特性并扩展声学设备的能力“。

“从根本上说,我们正在展示能够实现比我们习惯更加强大的新形式的声音传输。这些发现可能应用于超声波成像,水下声学和声纳技术,”Alù说。

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