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Erste akustische Superlinse
In den letzten Jahren haben Forscher mehrere Materialien entwickelt, die Licht auf eine Weise biegen, die scheinbar gegen die Gesetze der Physik verstößt, wodurch sogenannte Superlinsen für ultrahochauflösende optische Abbildungen sowie Unsichtbarkeitshüllen entstehen. Jetzt haben Forscher gezeigt, dass die gleiche Art von Bildern und Tarnvorrichtungen mit Ton statt mit Licht hergestellt werden können. Mit dem ersten jemals hergestellten akustischen Metamaterial konnten die Forscher Ultraschallwellen fokussieren. Dies stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung hochauflösender Ultraschallbilder und Tarnvorrichtungen dar, die Schiffe vor Sonaren verbergen können.
Im Fokus : Wenn sie mit Wasser gefüllt sind, wirken die Löcher in dieser Aluminiumplatte als Resonanzhohlräume, die Ultraschallwellen fokussieren können.
Akustische Linsen können so hergestellt werden, dass sie Schall genauso fokussieren, wie die Linse in einem Mikroskop Licht fokussiert. Die Fähigkeit der Physiker, mit beiden Wellenarten zu arbeiten, wird jedoch durch Streueffekte, die Beugung genannt, eingeschränkt. Mit herkömmlichen Objektiven ist es nicht möglich, Licht- oder Schallwellen auf eine Spotgröße kleiner als die halbe Wellenlänge des Lichts zu fokussieren. Um diese Einschränkungen zu umgehen, muss eine Linse Licht brechen oder buchstäblich nach hinten biegen. Keine natürlich vorkommenden Materialien haben einen negativen Brechungsindex, aber einige Materialien, die im Labor sorgfältig entwickelt wurden, sogenannte Metamaterialien, tun dies. Die gleichen Werkzeuge, die zur Herstellung von Materialien verwendet werden, die Licht- oder Schallwellen über die Beugungsgrenze hinaus fokussieren können, was eine hochauflösende Bildgebung ermöglicht, können auch verwendet werden, um Materialien herzustellen, die das Gegenteil bewirken, indem sie ein Objekt verhüllen, indem sie Licht oder Schall um sie herum richten.
Theoretiker arbeiten seit mehreren Jahren an Materialien, die Schallwellen nach hinten biegen. Ein solches Metamaterial wurde nun gebaut von Nicholas Fang , Assistenzprofessorin für Maschinenbau und Ingenieurwissenschaften an der University of Illinois in Urbana-Champaign. Das schallfokussierende Gerät seiner Gruppe ist eine Aluminiumanordnung enghalsiger Resonanzhohlräume, deren Abmessungen auf die Wechselwirkung mit Ultraschallwellen abgestimmt sind. Die Hohlräume sind mit Wasser gefüllt. Fang vergleicht sie mit einer Reihe von Blasinstrumenten, wie den Pfeifen in einer Orgel. Wenn sich Ultraschallwellen durch das Array bewegen, schwingen die Hohlräume mit, so dass der Schall fokussiert wird. Die Hohlräume arbeiten zusammen, um den Schall zu brechen, sagt Fang.
Dies ist ein großer Schritt nach vorne für akustische Metamaterialien, sagt Steven Cummer , ein außerordentlicher Professor für Elektro- und Computertechnik an der Duke University. Cummer war an der Entwicklung der ersten optischen Tarnvorrichtung beteiligt. Es sei eine gute experimentelle Bestätigung, dass sich Ideen aus der Elektromagnetik auf die Akustik übertragen lassen, sagt er. Es war nicht einfach, einen guten Weg zu finden, dies experimentell zu tun.
Das Ultraschallsystem, beschrieben in der Zeitschrift Physische Überprüfungsschreiben , die Beugungsgrenze noch nicht überschritten hat. Forscher erwarten jedoch, dass Fang es bald schlagen wird. Ich bin sicher, wir werden nicht lange warten müssen, sagt John Pendry , einem Professor für theoretische Festkörperphysik am Imperial College London, der die Materialien entwarf, die von den Duke-Forschern verwendet wurden, um den ersten Tarnumhang herzustellen.
Es gibt viele wichtige Anwendungen, die auf ein erfolgreiches akustisches Fokussiergerät im Subwellenlängenbereich warten, sagt Pendry. Die erste Anwendung akustischer Metamaterialien wird wahrscheinlich in der hochauflösenden klinischen Ultraschallbildgebung liegen, sagt Fang. Ohne mehr Energie in das Gewebe zu pumpen, können Sie ein schärferes Bild liefern. Er weist jedoch darauf hin, dass Bewerbungen noch in weiter Ferne liegen. Wir haben zwar fokussiert, aber noch nicht bildgebend, sagt Fang.