211service.com
Eerste akoestische superlens
In de afgelopen jaren hebben onderzoekers verschillende materialen ontwikkeld die licht buigen op manieren die de wetten van de fysica lijken te schenden, waardoor zogenaamde superlenzen worden gecreëerd voor optische beeldvorming met ultrahoge resolutie, evenals onzichtbaarheidsmantels. Nu hebben onderzoekers aangetoond dat dezelfde soort afbeeldingen en verhulapparaten met geluid kunnen worden gemaakt in plaats van met licht. Met behulp van het eerste akoestische metamateriaal dat ooit is geproduceerd, konden de onderzoekers ultrasone golven focussen. Dit is een belangrijke stap in de richting van het maken van ultrasone beelden met een hoge resolutie en verhulapparaten die schepen kunnen verbergen voor sonar.
In focus : Wanneer gevuld met water, fungeren de gaten in deze aluminium plaat als resonantieholtes die ultrasone golven kunnen focussen.
Akoestische lenzen kunnen worden gemaakt om geluid te focussen zoals de lens in een microscoop licht focust. Maar het vermogen van natuurkundigen om met beide soorten golven te werken, wordt beperkt door verstrooiingseffecten die diffractie worden genoemd. Met conventionele lenzen is het niet mogelijk om lichtgolven of geluidsgolven scherp te stellen op een plek die kleiner is dan de helft van de golflengte van het licht. Om deze beperkingen te omzeilen, moet een lens het licht breken, of letterlijk naar achteren buigen. Geen van de natuurlijk voorkomende materialen hebben een negatieve brekingsindex, maar sommige materialen die zorgvuldig in het laboratorium zijn ontworpen, metamaterialen genoemd, hebben dat wel. Dezelfde gereedschappen die worden gebruikt om materialen te maken die licht- of geluidsgolven voorbij de diffractielimiet kunnen concentreren, waardoor beeldvorming met hoge resolutie mogelijk wordt, kunnen ook worden gebruikt om materialen te maken die het tegenovergestelde bereiken, namelijk een object verhullen door licht of geluid eromheen te richten.
Theoretici werken al jaren aan materialen die geluidsgolven naar achteren buigen. Zo'n metamateriaal is nu gebouwd door Nicholas Fang , een assistent-professor mechanische wetenschappen en techniek aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. Het geluidsfocusapparaat van zijn groep is een aluminium array van resonantieholtes met smalle hals, waarvan de afmetingen zijn afgestemd op interactie met ultrasone golven. De holtes zijn gevuld met water. Fang vergelijkt ze met een reeks blaasinstrumenten, zoals de pijpen in een orgel. Wanneer ultrasone golven door de array bewegen, resoneren de holtes zodat het geluid wordt gefocust. De holtes werken samen om het geluid te breken, zegt Fang.
Dit is een grote stap voorwaarts voor akoestische metamaterialen, zegt Steven Cummer , een universitair hoofddocent elektrische en computertechniek aan de Duke University. Cummer was betrokken bij de ontwikkeling van het eerste optische verhulapparaat. Het is een goede experimentele bevestiging dat ideeën van elektromagnetisme kunnen worden uitgebreid tot akoestiek, zegt hij. Het was niet eenvoudig om een goede manier te vinden om dit experimenteel te doen.
Het ultrasone systeem, beschreven in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , heeft de diffractielimiet nog niet overschreden. Maar onderzoekers verwachten dat Fang het snel zal verslaan. Ik weet zeker dat we niet lang hoeven te wachten, zegt John Pendry , een professor in theoretische vastestoffysica aan het Imperial College London, die de materialen ontwierp die door Duke-onderzoekers werden gebruikt om de eerste onzichtbaarheidsmantel te maken.
Er zijn veel belangrijke toepassingen in afwachting van een succesvol akoestisch focusapparaat voor subgolflengten, zegt Pendry. De eerste toepassing van akoestische metamaterialen zal waarschijnlijk plaatsvinden in klinische echografie met hoge resolutie, zegt Fang. Zonder meer energie in het weefsel te pompen, kun je een scherper beeld geven. Hij merkt echter op dat toepassingen een eind weg zijn. We hebben gefocust, maar nog geen beeldvorming, zegt Fang.