Создание приборов с заданной скоростью звука

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: https://doi.org/10.3390/ma15238315.

Информация предоставлена пресс-службой МГУ