Работа, выполненная аспирантом Михаилом Маруниным под руководством доцента кафедры физики колебаний физического факультета МГУ Натальи Поликарповой, получила награду «Выбор редакции» журнала Materials (Базель, Швейцария). В статье рассмотрен один из недавно предложенных акустических метаматериалов — двумерный фононный кристалл с квадратной решеткой (фактически фрагмент обычного оконного стекла).
Фото: МГУ имени М.В.Ломоносова
Фото: МГУ имени М.В.Ломоносова
Этот материал интересен тем, что обладает анизотропией акустических свойств за счет искусственно созданной серии отверстий. То есть физические свойства материала меняются в зависимости от направления распространения звуковых волн.
Акустооптика появилась 100 лет назад и вначале развивалась как исключительно теоретическая дисциплина. Однако с открытием лазера в середине XX века возникла проблема: как управлять лучами? Воздействовать на свет и его параметры можно только косвенно, пропустив его через среду, которую ученые могут изменить. У света есть различные характеристики: интенсивность, направление, поляризация. Чтобы их менять, можно, например, пропустить свет через кристалл. И затем воздействовать на кристалл, оказывая на него давление или пропуская через него звук. Таким образом, мы сможем управлять световым лучом.
На практике это можно сделать, например, прикрепив к кристаллу вибрирующую пластину (пьезопреобразователь). В результате через кристалл проходит звук, и свет, пропущенный через этот кристалл, меняет свои свойства. Этот принцип воздействия звуком на свет называется акустооптикой и лежит в основе работы многих приборов: фильтров, дефлекторов и модуляторов. Дефлекторы, в частности, используются в лазерных световых шоу, когда картины, созданные светом, проецируются на здания. Кроме того, акустооптика используется для проведения микроопераций лазером для фокусировки и изменения направления пучка лучей.
Акустооптические фильтры позволяют пропускать излучение только в одном каком-то диапазоне. Например, можно создать прибор, для того чтобы определить количество спирта в бутылке водки, не открывая ее. Для этого бутылку просвечивают лучами в определенном спектре и сравнивают полученный свет с тем, что получается, если пропустить лучи через бутылку воды.
Также акустооптический прибор, выделяющий из всего спектра, например, только зеленый свет, может использоваться сотрудниками органов безопасности на стадионах, где можно выделить болельщиков, скажем, в зеленой одежде.
Двумерный фононный кристалл с квадратной решеткой и его элементарная ячейка
Такое свойство света, как поляризация, помогает физикам выделять при просвечивании местности, скажем, металлический предмет на фоне травы. В космических технологиях акустооптические приборы используются для поиска воды на Марсе со спутника или изучения состава газов в атмосфере других планет с помощью спектрального анализа.
Также с помощью акустооптических приборов можно в разных спектрах просветить денежную купюру, чтобы отличить подделку. Наконец, эти приборы можно использовать в медицине во время диализа крови у пациентов с искусственной почкой, чтобы понять, когда можно остановить процедуру — кровь достигла определенного уровня очистки.
Оптоволоконные линии, проложенные по дну моря, тоже используют лазерное излучение, и для управления им также используется акустооптика. Также акустооптика используется в оптоэлектронике для разработки смартфонов и электромобилей.
В статье Марунина и Поликарповой эксперимент проводился с использованием небольшого куска обычного оконного стекла вместо кристалла. Авторы показали, что можно значительно удешевить акустооптические приборы, используя этот материал. В статье он назван «плавленый кварц», или «двумерный метаматериал». До этого в экспериментах использовались обычно кристаллы двуокиси теллура. Этот кристалл стоит несколько сотен долларов, что приводит к тому, что стоимость более сложных акустооптических приборов приближается к тысячам долларов.
Поверхности обратных скоростей и направления поляризации упругих волн в фононном кристалле
Новые материалы интересны также и с научной точки зрения: в работе с ними выявляются новые эффекты и результаты. Метаматериалы создаются с заранее заданными свойствами. В работе, описанной в статье, ученые взяли обычное оконное стекло, проделали в нем отверстия, и получился материал, анизотропный в разных направлениях, то есть его характеристики — например, упругость — различны, если пропускать звуковую волну вдоль или поперек. Меняя размер отверстий и их период, физики смогли модулировать акустические свойства этого материала так, как им удобно. Фактически ученые сообщают в статье, что для дальнейших экспериментов можно использовать не дорогостоящие кристаллы, а обыкновенное оконное стекло, задавая с помощью серии отверстий ему заданные акустические свойства. Тем самым можно значительно удешевить акустооптические приборы, используя стекло вместо кристаллов.
Таким образом, физики МГУ совершили открытие, доказав, что, изменяя с помощью серии отверстий обычное стекло, можно получить метаматериал, идентичный по заданным свойствам монокристаллам.
«Современная физика очень активно занята поиском новых материалов и новых сред, это очень перспективное направление. На любой конференции, связанной с акустооптикой, в программе обязательно есть несколько секций, посвященных новым материалам, фононным кристаллам (то есть тем, где величина отверстий достигает несколько десятков или сотен микрон), метаматериалам, композитам. Эти темы сейчас находятся на самом острие науки. Я рада, что нашу работу отметили в Швейцарии, и надеюсь, что российские акустооптики продолжат добиваться результатов мирового значения»,— говорит Наталья Поликарпова.
В рамках исследования авторы впервые рассчитали основные акустические характеристики фононного кристалла, представляющие практический интерес в акустооптике, в том числе скорость звука и поляризацию всех распространяющихся в данном метаматериале волн (рисунок 2). Оказалось, что величина акустической анизотропии определяется геометрией отверстий, формирующих метаматериал, а именно отношением диаметра отверстия к размеру элементарной ячейки. Как следствие, за счет выбора геометрии можно создать материал с оптимальными свойствами, заданными конкретной практической задачей.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант 19-12-00072.