211service.com
Første akustiske superlinse
I løbet af de sidste par år har forskere udviklet adskillige materialer, der bøjer lys på måder, der ser ud til at overtræde fysikkens love, hvilket skaber såkaldte superlinser til optisk billeddannelse med ultrahøj opløsning, samt usynlighedskapper. Nu har forskere påvist, at den samme slags billeder og tilsløringsanordninger kunne laves med lyd i stedet for lys. Ved at bruge det første akustiske metamateriale, der nogensinde er produceret, var forskerne i stand til at fokusere ultralydsbølger. Dette repræsenterer et væsentligt skridt hen imod at skabe ultralydsbilleder i høj opløsning og tilsløringsenheder, der er i stand til at skjule skibe for ekkolod.
I fokus : Når de er fyldt med vand, fungerer hullerne i denne aluminiumsplade som resonanshulrum, der kan fokusere ultralydsbølger.
Akustiske linser kan fås til at fokusere lyd på samme måde som linsen i et mikroskop fokuserer lys. Men fysikeres evne til at arbejde med begge typer bølger er begrænset af spredningseffekter kaldet diffraktion. Ved at bruge konventionelle linser er det ikke muligt at fokusere lysbølger eller lydbølger til en pletstørrelse, der er mindre end halvdelen af lysets bølgelængde. For at omgå disse begrænsninger skal en linse bryde eller bogstaveligt talt bøje lyset bagud. Ingen naturligt forekommende materialer har et negativt brydningsindeks, men nogle materialer omhyggeligt designet i laboratoriet, kaldet metamaterialer, gør. De samme værktøjer, der bruges til at fremstille materialer, der kan fokusere lys eller lydbølger ud over diffraktionsgrænsen, hvilket muliggør billeddannelse i høj opløsning, kan også bruges til at fremstille materialer, der opnår det modsatte, tilsløre et objekt ved at rette lys eller lyd omkring det.
Teoretikere har arbejdet på materialer, der bøjer lydbølger bagud i flere år. Sådan et metamateriale er nu bygget af Nicholas Fang , en assisterende professor i mekanisk videnskab og teknik ved University of Illinois i Urbana-Champaign. Hans gruppes lydfokuserende enhed er et aluminiumsarrangement af smalhalsede resonanshulrum, hvis dimensioner er indstillet til at interagere med ultralydsbølger. Hulrummene er fyldt med vand. Fang sammenligner dem med en række blæseinstrumenter, såsom piberne i et orgel. Når ultralydsbølger bevæger sig gennem arrayet, giver hulrummene resonans, så lyden fokuseres. Hulrummene arbejder sammen om at bryde lyden, siger Fang.
Dette er et stort skridt fremad for akustiske metamaterialer, siger Steven Cummer , en lektor i elektro- og computerteknik ved Duke University. Cummer var involveret i udviklingen af den første optiske tilsløringsenhed. Det er en god eksperimentel bekræftelse på, at ideer fra elektromagnetikken kan udvides til akustik, siger han. Det var ikke let at finde ud af en god måde at gøre dette eksperimentelt på.
Ultralydssystemet, beskrevet i journalen Fysiske anmeldelsesbreve , endnu ikke har overskredet diffraktionsgrænsen. Men forskere forventer, at Fang snart slår det. Jeg er sikker på, at vi ikke skal vente længe, siger John Pendry , en professor i teoretisk faststoffysik ved Imperial College London, som designede materialerne brugt af Duke-forskere til at lave den første usynlighedskappe.
Der er mange vigtige applikationer, der venter på en vellykket akustisk fokuseringsenhed med subbølgelængde, siger Pendry. Den første anvendelse af akustiske metamaterialer vil sandsynligvis være i højopløsnings klinisk ultralydsbilleddannelse, siger Fang. Uden at pumpe mere energi ind i vævet kan du give et skarpere billede. Han bemærker dog, at ansøgninger er en vej væk. Vi har gjort fokus, men endnu ikke billeddannelse, siger Fang.