تصویر سه بعدی جدید از شبیه سازی های رایانه ای نشان می دهد که میله های بسیار کوچک با آرایش تصادفی می تواند موج صوتی را به طور موثری درون یک مجرا با شکل دلخواه هدایت کند.

هر مسیری را انتخاب کنید:  شبیه سازی ها نشان می دهد که ساختارهای فونونی با کمی تصادفی بودن در مکان میله ها (دایره های کوچک)، میتوانند میزبان موجبرهای بسیار موثری که محدود به مسیر راست نیستند باشند. اینها اولین شبیه سازی های 3 بعدی از موج صوتی است که درون ساختار فونونی حرکت میکند.

کریستالهای فونونی آرایه ای از میله ها یا دایره هایی هستند که از اثر تداخلی در جهت کنترل امواج ارتعاشی برای اهدافی نظیر فیلترهای صوتی، تصویربرداری فراصوت یا عایق های صوتی استفاده می کنند. اکنون پژوهشگران تصویری از شبیه سازی های رایانه ای فراهم کرده اند که نشان می دهد اندکی تصادفی بودن در مکان این عناصر موجب هدایت موج صوتی در مسیرهای منحنی شکل می شود. این گروه می گوید چنین مسیرهای دلخواهی می تواند در آینده  برای ردیابی سیگنالهای صوتی در مدارهای مجتمع فونونی مفید واقع شود.

موجی که از درون مجموعه ای از مکانهای پراکننده با تکرارشوندگی بی نقص میگذرد می تواند با خودش تداخل کرده و در بازه ای از فرکانس ها به نام نوار گاف از انتشار باز بماند. در کریستال فوتونی این اثر برای محصور کردن امواج نوری استفاده میشود. مثلاً اگر یک ردیف از پراکننده ها را در کریستال فوتونی بردارید، تونل موجی (موجبر) درست می شود اما معمولا فقط در مسیرهای مستقیم و زاویای قائمه است.

اخیراً، پژوهشگران ساختارهای فوتونیک «اَبَر یکنواخت» را مطالعه کرده اند که میتوان از آنها موجبرهایی با شکل دلخواه ساخت. عناصر پراکننده در این ساختارها طرح تکراری بی نقص ندارند ولی فاصله بین آن ها خیلی زیاد تغییر نمی کند. نوار گاف بزرگ دیده شده در کریستالهای فوتونی در ساختارهای ابر یکنواخت هم هست اما مزایایی هم دارند.

اکنون ماریان فلورسکیو Marian Florescu و همکارانش در دانشگاه سوری انگلستان با شبیه سازی های رایانه ای نشان داده اند که یک ساختار ابر یکنواخت برای امواج ارتعاشی- یعنی ساختار فونونی- هم می تواند نوار گاف بزرگی داشته باشد. اما گروه از یافتن خواص بیشتری نسبت به ساختارهای فوتونی شگفت زده شد. به عنوان مثال، می توان کاواکهای تشدیدی درون ساختارهای فونونی ایجاد کرد که فاکتور «کیفیت» یا فاکتور Q ای به بزرگی 10¹⁵ داشته باشند بدان معنی که موجی با فرکانس 10 گیگاهرتز را میتوان تا تقریبا 8 ساعت در تله نگه داشت. این مقادیر بالا از  Q منجر به موجبرهایی با بازدهی زیاد می شوند که امواج صوتی را از ابتدا تا انتهای یک موجبر منحنی تقریبا 100% انتقال می دهد.

این تحقیق در  Physical Review B به چاپ رسیده است.

منبع