Kvanttifysiikkaa metamateriaalien luomiseen

Caltechin ja ETH Zürichin insinöörit ovat luoneet menetelmän suunnitella järjestelmällisesti metamateriaaleja käyttäen kvanttimekaniikan periaatteita.

Nykyiset metamateriaalit hyödyntävät sisäisen rakenteensa geometriaa materiaaliin tulevien aaltojen manipuloimiseksi, taivuttamaan esimerkiksi valoa epätavallisella tavalla ja luomaan näin peittolaitteen.

Kuitenkin mekaanisten metamateriaalien suunnittelu - mekaaniset aallot, kuten ääniaallot tai seismiset aallot - ovat edelleen varsin sekava tapahtuma, kertoo professori Chiara Daraio Caltechista.

"Ennen töitämme ei ole ollut järjestelmällistä tapaa suunnitella metalleja, jotka ohjaavat mekaanisia aaltoja eri sovelluksissa", hän sanoo. "Sen sijaan niitä suunnitellaan kokeilun ja luonnossa nähtyjen ideoiden perusteella."

Kvanttimekaniikka sen sijaan ennustaa jo olemassa olevien eksoottisten materiaalityyppien olemassaoloa: esimerkiksi topologinen eriste.

Kvanttimekaniikassa materiaaleja voidaan joskus kuvata vuorovaikutteisten hiukkasten kokonaisuutena. Järjestelmän kuvailussa jokainen hiukkanen on pieni massa, joka on liitetty naapureihinsa jousilla ja jokainen hiukkanen reagoi tuleviin aaltoihin tavalla, joka määräytyy osittain sen naapureiden reaktiosta.

Tutkijoiden lähestymistavassa sovelletaan tätä massa- ja jousimallia makroskooppisiin, elastisiin materiaaleihin. Kun saapuva aalto iskee, jokainen toistuva rakenne metamateriaalissa voi muuttaa muotoaan useilla eri tavoilla. Muodonmuutosta ohjaa rakenteen geometria ja se, miten rakenteet ovat yhteydessä toisiinsa ja miten ympärillä olevat muut rakenteet reagoivat.

Konseptin teoreettisena todistuksena ryhmä suunnitteli metamateriaaleja millimetrien kokoisista levyistä. Erilaisien virityksien avulla ryhmä loi täydellisen akustisen linssin, joka keskittää ääntä ilman signaalin hävikkiä.

Vaikka työ on teoreettinen ja validoitu tietokonesimulaatioilla, ETH:n kumppanit käyttivät menetelmää piikiekkoon, joka koostuu sadasta pienestä levystä, jotka on liitetty toisiinsa ohuiden palkkien kautta.

Kun kiekkoa stimuloidaan ultraäänellä, vain kulmissa olevat levyt värähtelevät; muut levyt pysyvät paikallaan liitoksistaan huolimatta. Edelleen kun rakennetta stimuloitiin yhdessä pisteessä, ETH:n tutkijat onnistuivat luomaan korkeamman asteen topologisen eristeen.

Rakennetta voitaisiin käyttää tarkkana aaltojohteena optisessa tai sähköisessä tietoliikenneverkossa. Edelleen jos konsepti voitaisiin laajentaa kolmanteen ulottuvuuteen, jolloin informaatiota tai energiaa voitaisiin siirtää pisteestä A pisteeseen B yksiulotteisessa kanavassa. Eli sovellukset laajenisivat myös esimerkiksi energian keruuseen.