Twee onafhankelijke onderzoeksteams in China zijn erin geslaagd om volledige regenbogen van geluid te creëren en vast te leggen. De doorbraak, beschreven in newscientist.com, kan leiden tot nieuwe toepassingen voor informatieverwerking en energieopwekking met behulp van geluidsgolven.
Wat is een geluidsregenboog?
Net zoals een optische regenboog ontstaat door lichtgolven te scheiden op basis van hun frequentie, kan hetzelfde principe worden toegepast op geluidsgolven of trillingen in materialen. Een rode lichtbundel bestaat bijvoorbeeld uit golven die op een bepaalde frequentie oscilleren, terwijl de oranje bundel ernaast op een andere frequentie trilt. Op dezelfde manier zouden geluidsgolven gesorteerd kunnen worden, maar onderzoekers slaagden er tot nu toe alleen in om dergelijke "elastische regenbogen" te maken op kleine plekjes in de hoeken of randen van materialen.
Twee doorbraken tegelijk
Riyi Zheng van de South China University of Technology en zijn collega's zijn er nu in geslaagd om zo'n regenboog op een siliciumchip vast te leggen. Tegelijkertijd heeft het team van Yafeng Chen van de Tongji Universiteit in China een vergelijkbaar resultaat bereikt in een aluminium apparaat. Beide teams presenteren hiermee de meest complete elastische regenbogen die tot nu toe zijn gemaakt, aldus .
Hoe werkt het?
Het maken van een elastische regenboog vereist het groeperen van fononen – deeltjesachtige kwantumexcitaties die trillingen vormen – op basis van hun frequentie. Vervolgens moet elke groep op een andere locatie worden vastgehouden. Beide teams lieten zich inspireren door de manier waarop de beweging van elektronen in dunne materialen kan worden beperkt door ze onder te dompelen in elektromagnetische velden.
De onderzoekers ontwierpen hun apparaten met microscopische patronen, zoals kleine driehoekige pilaren. Normaal gesproken verspreiden trillingen zich op een ongeordende, ongerichte manier door vaste materialen. Maar deze patronen zorgden ervoor dat wanneer fonenen erdoorheen bewogen, hun snelheid en bewegingsrichting veranderden, alsof ze door een elektromagnetisch veld werden voortgestuwd.
Toepassingen in het verschiet
De techniek achter deze geluidsregenbogen zou kunnen leiden tot nieuwe op geluid gebaseerde apparaten voor informatieverwerking of energieoogst. Door geluidsgolven op deze manier te manipuleren, kunnen onderzoekers mogelijk efficiëntere manieren ontwikkelen om energie uit trillingen te halen of om informatie over te brengen via geluidsgolven in plaats van elektronen.
De twee onderzoeksteams hebben hun bevindingen gepresenteerd als de meest complete demonstratie van elastische regenbogen tot nu toe. Hoewel er nog verdere stappen nodig zijn voordat de technologie commercieel toepasbaar is, vormt dit onderzoek een belangrijke mijlpaal in de studie van golfmanipulatie in vaste materialen. De resultaten tonen aan dat het mogelijk is om geluidsgolven op gecontroleerde wijze te scheiden en te positioneren, een principe dat voorheen slechts in beperkte mate experimenteel was aangetoond.
De onderzoekers hopen dat hun werk de weg vrijmaakt voor verdere experimenten en uiteindelijk voor praktische toepassingen in de akoestische technologie.