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Akustische Metamaterialien sind Mesostrukturen (in einer Größenordnung zwischen mikroskopisch und makroskopisch), die in der Lage sind, Schallwellen zu steuern, zu manipulieren und zu lenken, indem sie ihre zugrunde liegenden Eigenschaften verändern. In den letzten Jahren haben Fortschritte bei diesen Strukturen zur Entwicklung sogenannter phononischer Materialien geführt, die den Fluss von Schallwellen auf sehr spezifische Weise aktiv gestalten können.
So können phononische Materialien, die keine oder sogar eine negative Brechung aufweisen, den Schall im Subwellenlängenbereich beeinflussen, was eine präzise Steuerung des Schallfeldes und der akustischen Energie ermöglicht.
Dies eröffnet eine Reihe praktischer Möglichkeiten, darunter Technologien wie die akustische Tarnung. Zudem lässt sich damit die Quantenmechanik erforschen, indem mehr über die zugrunde liegenden physikalischen Eigenschaften der Schallwellen selbst in Erfahrung gebracht wird.
„Wir wollten völlig neue Eigenschaften in der Schallwellenphysik entdecken“, erklärt Johan Christensen, Forschungsstipendiat an der Universität Carlos III in Madrid. „Der andere Motivationsfaktor bestand in der Verbesserung bestimmter technischer Aspekte der Akustik in unserem täglichen Leben“, merkt er an.
Diese beiden Stränge formten das Rückgrat des von der EU finanzierten und vom Europäischen Forschungsrat unterstützten Projekts PHONOMETA. „Das bedeutet, dass wir tief in die Quantenmechanik eintauchen und versuchen, einige der Erkenntnisse aus diesem Bereich auf die Akustik zu übertragen“, fügt Christensen hinzu, der als Koordinator des PHONOMETA-Projekts fungierte.
Eintauchen in die theoretische Physik
Im Rahmen des PHONOMETA-Projekts wurde eine Klasse von künstlichen Materialien entwickelt, die als PT-symmetrische Systeme bekannt sind. PT-Symmetrie ist ein grundlegendes Konzept der Quantenmechanik, bei dem sich ein System in genau derselben Weise entwickeln wird während es in sein Spiegelbild umgewandelt wird – unabhängig davon, ob die Zeit vorwärts oder rückwärts läuft.
In der Akustik werden PT-symmetrische Systeme als künstliche Materialien verstanden, die Verstärkereinheiten (Schallwellen verstärkend) und Verlusteinheiten (die Wellenamplitude verringernd) enthalten.
„Wie beim Konzept aus der Quantenmechanik führt die Kombination von beidem zu sehr ungewöhnlichen Wellenausbreitungseigenschaften für Schallwellen“, stellt Christensen fest.
Verlusteinheiten sind in der Akustik leicht herzustellen: Jedes schwamm- oder schaumstoffartige Material hat für den Schall einen Energieverlust zur Folge. Doch die Verstärkungskomponente erweist sich als schwierig, bemerkt Christensen. In der Optik ließe sich dies mit einem Laser bewerkstelligen. Für die Akustik gibt es diese Art von Technologie jedoch nicht.
Im Rahmen des PHONOMETA-Projekts war ursprünglich geplant, piezoelektrische Halbleiter zu verwenden, also Materialien, die eine Art akustische Verstärkung bewirken können, wenn ein elektrisches Feld an sie angelegt wird.
In den späteren Phasen entdeckte das Team, dass Kohlenstoffnanoröhrenfilme sich besser eigneten. Diese Filme, die aus einem Stapel von Graphenblättern bestehen, besitzen außergewöhnliche elektrische, mechanische und optische Eigenschaften und bieten ein höheres Maß an Kontrolle. Christensen und sein Team verwendeten diese Materialien als Verstärkungskomponente in den von ihnen entwickelten PT-symmetrischen Systemen.
Eine unhörbare Tarnung
Einer der wichtigsten Beiträge des Projekts bestand darin, die reflexionsfreien Eigenschaften dieser neuen Materialien zunutze zu machen. Wird der Verlust- und Verstärkungskontrast erhöht, erscheint ab einem bestimmten Schwellenwert das Material akustisch „transparent“: es erzeugt keine Echos und wird effektiv unsichtbar gemacht. Das Team hat dieses Konzept weiterentwickelt, um einen Tarnmantel zu erzeugen.
„Seit Jahrhunderten träumen die Menschen von einem Tarnmantel, unter dem jemand für das bloße Auge nicht mehr zu erkennen ist“, erläutert Christensen. In der Optik würde dies bedeuten, dass nicht nur das von einem Objekt zurückgeworfene Licht, sondern auch der dahinter liegende Schatten unterdrückt wird, so dass das Objekt vollständig verschwindet.
Dem Team ist es gelungen, genau das für die Akustik zu erreichen und ein Objekt von der Größe eines Kühlschranks zu verbergen. „Akustische Verstärkung und Verlust werden kombiniert, um eine Null-Reflexion und eine verkleinernde Wirkung des akustischen Schattens zu erreichen“, so Christensen abschließend. Die Weiterentwicklung der Technologie könnte für die Herstellung einer drastisch verbesserten Tarntechnologie für größere Objekte wie U-Boote von Nutzen sein.