Геометрия отверстий в кварце определила его акустические свойства
Ученые физического факультета МГУ 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.
Акустооптические устройства используют звуковые волны в кристалле, чтобы управлять световым пучком — например, лазерным излучением. Они позволяют проводить исследования, например, качества прозрачных материалов или анализировать химический состав образов и радиосигналы. Также на их основе можно построить вычислительные устройства — оптические компьютеры.
При создании новых акустооптических устройств особое внимание уделяется выбору материала, в котором оптическое излучение взаимодействует со звуковой волной. Решающим фактором становится анизотропия его акустических свойств, то есть их отличие в разных направлениях — так можно реализовать довольно необычные и полезные взаимодействия. Чаще всего в качестве акустооптических материалов используют монокристаллы, то есть кристаллы с непрерывной кристаллической решеткой. Однако изготовить их достаточно трудно и дорого, кроме того, их физические свойства предопределены изначально и изменить их под конкретную задачу невозможно.
Альтернативной могут стать фононные кристаллы, которые представляют собой периодическую структуру, состоящую из материалов с различными акустическими свойствами. В результате их свойства также изменяются периодически, и на них можно повлиять.
В своей новой работе физики Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова исследовали недавно предложенный фононный кристалл: в изотропном кристалле плавленого кварца проделаны периодически повторяющиеся круглые отверстия — по сути сочетаются два материала: кварц и воздух. Авторы рассчитали основные акустические характеристики такой системы.
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, что даст возможность для создания материалов с заданными характеристиками.
«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 кафедры физики колебаний физического факультета МГУ Наталия Поликарпова.