Ученые физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова провели моделирование двумерного фононного кристалла. Это гибкий акустический метаматериал, который может подстроиться под практические задачи. Специалисты исследовали свойства новой структуры и предложили способы практического использования. Работа, поддержанная грантом Российского научного фонда (грант 19-12-00072), получила награду «выбор редакции» от редакции журнала «Materials» (Базель, Швейцария) в январе 2023 года.
Фононные кристаллы — это среды, в которых периодически меняются свойства, что позволяет влиять на особенности распространения звука. Эти кристаллы используют в различных областях, в частности — в акустооптике, которая занимается взаимодействием электромагнитных и звуковых волн.
Эксперты исследовали недавно предложенный фононный кристалл: в изотропном кристалле плавленого кварца размещены периодически повторяющиеся круглые отверстия. Авторы рассчитали основные акустические характеристики: скорость звука и поляризацию, а также направление распространения энергии всех распространяющихся в материале волн.
Выяснилось, что величина акустической анизотропии, которая появляется при появлении неоднородностей, определяется геометрией отверстий — отношением диаметра к периоду элементарной ячейки. Как оказалось, выбор различной геометрии позволяет изменять основные акустические параметры среды в соответствии с потребностями. Это даст возможность для создания материалов с заданными характеристиками.
Акустооптические устройства используют звуковые волны в кристалле, чтобы управлять световым пучком — например, лазерным излучением. Как правило, в акустооптике используют монокристаллические среды. Однако они обладают рядом недостатков. Монокристаллы выращиваются определенным способом, с заданными свойствами. Эти свойства сложно изменить. Кроме того, выращивание монокристаллов — длительный, дорогостоящий и технологически сложный процесс.
Фононные кристаллы позволяют обойти эти сложности и открывают огромные возможности. Размер, форму и расположение неоднородностей в материале можно корректировать, чтобы в конечном счете получить структуру с необходимыми для прикладных задач свойствами.
«Такие фононные кристаллы удовлетворяют необходимым требованиям для создания на их основе акустооптических приборов: фильтров, дефлекторов и модуляторов, в которых необходимо иметь заданную скорость звука. Мы планируем и дальше исследовать поведение волн в фононных кристаллах теоретически и экспериментально», — прокомментировала работу доцент, к.ф.-м.н. Поликарпова Наталия Вячеславовна.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант 19-12-00072. Статья опубликована в журнале Materials.
Рис.1. Двумерный фононный кристалл с квадратной решеткой и его элементарная ячейка.
Рис. 2. Поверхности обратных скоростей и направления поляризации упругих волн в фононном кристалле.
Пресс-служба МГУ
Нет комментариев