Nieuwe materialen: wanneer geluidsgolven achteruit lopen

De wetenschappers doen verslag van hun werk in Nature Communications.

Rotons zijn quasideeltjes, wat betekent dat ze zich op dezelfde manier gedragen als vrije deeltjes. In tegenstelling tot normale akoestische golven in gassen, vloeistoffen en vaste stoffen, verandert de geluidssnelheid aanzienlijk met de golflengte. Daarnaast zijn er drie verschillende deelgolven voor bepaalde frequenties. "De langzaamste van hen is een achterwaartse golf: de energiestroom en de golffronten lopen in precies tegenovergestelde richtingen", zegt Martin Wegener van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde (APH) en het Instituut voor Nanotechnologie (INT) van het KIT.

Het begrijpen en gebruiken van quasideeltjes als rotons is een van de grote uitdagingen van de kwantumfysica. De natuurkundige Lew Landau, die in 1962 een Nobelprijs ontving voor zijn pionierswerk, voorspelde het in verband met superfluïditeit, een toestand waarin een vloeistof zijn interne wrijving verliest en een bijna ideale thermische geleidbaarheid verkrijgt. Tot nu toe konden rotonen alleen worden waargenomen onder speciale kwantumfysische omstandigheden bij zeer lage temperaturen – en ontgingen daarom technisch gebruik.

Rotons zonder kwantumeffecten

Dat zou in de toekomst kunnen veranderen: aan het KIT en de Universiteit van Heidelberg werkt een groep onderzoekers aan metamaterialen die als het ware rotons ‘kweken’. De wetenschappers stellen een metamateriaal voor dat rotonen vertoont zonder kwantumeffecten onder normale omgevingsomstandigheden en bij bijna vrij selecteerbare frequenties of golflengten. Dit zou het in de toekomst mogelijk kunnen maken om geluidsgolven in lucht of in materialen beter te manipuleren, bijvoorbeeld terug te werpen, om te leiden of echo’s te genereren.

Deze materialen zijn nog niet experimenteel aangetoond; het moet echter mogelijk zijn om ze te produceren met behulp van bijvoorbeeld ultraprecieze 3D-laserprinten. "Inmiddels hebben we zelfs een aantal van deze metamaterialen gemaakt", meldt Wegener. "We werken momenteel intensief aan de directe experimentele detectie van rotons."

Van de digitale naar de fysieke wereld

De onderzoekers kwamen tot het computerondersteunde virtuele ontwerp van materialen met zulke nieuwe eigenschappen door een mix van reflectie, vele discussies en numerieke simulaties en optimalisaties. Eerste auteur Yi Chen: "Over het algemeen hebben we de droom om materialen op de computer te ontwerpen en deze vervolgens direct te vertalen naar de realiteit – zonder jaren van vallen en opstaan. 3D-printen is dan een geautomatiseerde converter van de digitale naar de fysieke wereld."