В МГУ предложили для акустооптики метаматериалы с заданной скоростью звука

Теоретическое исследование двумерного фононного кристалла с изменяемой структурой, позволяющей настраивать его акустические свойства, провели ученые физфака МГУ им. М. В. Ломоносова, 23 марта сообщает портал «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу университета.

Физики МГУ установили свойства этого нового акустического метаматериала и предложили способы его практического использования. Результаты исследования ученые представили в статье «Поляризация акустических волн в двумерных фотонных кристаллах на основе плавленого кварца», получившей награду «Выбор редакции» журнала Materials в январе 2023 года.

Фононные кристаллы — это искусственно создаваемые периодические структуры с изменяющимися свойствами, позволяющими влиять на параметры распространения звука. Их, в частности, используют в акустооптических приборах, основанных на взаимодействии электромагнитных и звуковых волн, например, для управления световым пучком лазерного излучения.

Ученые МГУ исследовали недавно предложенный фононный кристалл на основе плавленого кварца. Структура этого изотропного кристалла содержала периодически повторяющиеся круглые отверстия.

Исследователи выполнили расчет основных акустических характеристик этого материала, таких как скорость звука, поляризация, а также направление распространения энергии всех волн, распространяющихся в материале.

Было установлено, что величина акустической анизотропии (различия свойств), возникающей при появлении неоднородностей, зависит от геометрии отверстий — отношения диаметра к периоду элементарной ячейки.

При этом изменение геометрии приводит к изменению основных акустических параметров, которые в этом случае можно подобрать для конкретных приложений. То есть такая структура позволяет создавать для акустооптических устройств материалы с заданными характеристиками.

В акустооптике в настоящее время в основном используют монокристаллические среды, которые имеют ряд недостатков. В том числе сложность изменения их свойств, а также длительная, сложная и дорогостоящая технология выращивания.

Фононные кристаллы, напротив, позволяют получать структуру с необходимыми для прикладных задач свойствами с помощью изменения размера, формы и расположения неоднородностей в материале.

Одна из авторов статьи, доцент, к. ф.-м. н. Наталия Поликарпова пояснила: «Такие фононные кристаллы удовлетворяют необходимым требованиям для создания на их основе акустооптических приборов: фильтров, дефлекторов и модуляторов, в которых необходимо иметь заданную скорость звука».

Ученые намерены и дальше исследовать поведение волн в фононных кристаллах как теоретически, так и экспериментально.