Första akustiska superlinsen

Under de senaste åren har forskare utvecklat flera material som böjer ljus på sätt som verkar bryta mot fysikens lagar, vilket skapar så kallade superlinser, för ultrahögupplöst optisk avbildning, såväl som osynlighetskappor. Nu har forskare visat att samma typ av bilder och maskeringsanordningar kan göras med ljud istället för ljus. Med det första akustiska metamaterialet som någonsin producerats kunde forskarna fokusera ultraljudsvågor. Detta representerar ett viktigt steg mot att skapa högupplösta ultraljudsbilder och cloaking-enheter som kan dölja skepp från ekolod.

I fokus : När de är fyllda med vatten fungerar hålen i denna aluminiumplatta som resonanshåligheter som kan fokusera ultraljudsvågor.

Akustiska linser kan fås att fokusera ljud ungefär som linsen i ett mikroskop fokuserar ljus. Men fysikers förmåga att arbeta med båda typerna av vågor begränsas av spridningseffekter som kallas diffraktion. Med konventionella linser är det inte möjligt att fokusera ljusvågor eller ljudvågor till en punktstorlek som är mindre än halva ljusets våglängd. För att komma runt dessa begränsningar måste en lins bryta, eller bokstavligen böja ljus bakåt. Inga naturligt förekommande material har ett negativt brytningsindex, men vissa material noggrant utformade i labbet, kallade metamaterial, gör det. Samma verktyg som används för att tillverka material som kan fokusera ljus eller ljudvågor bortom diffraktionsgränsen, vilket möjliggör högupplöst bildbehandling, kan också användas för att göra material som åstadkommer motsatsen, dölja ett objekt genom att rikta ljus eller ljud runt det.

Teoretiker har arbetat med material som böjer ljudvågor bakåt i flera år. Ett sådant metamaterial har nu byggts av Nicholas Fang , en biträdande professor i mekanisk vetenskap och ingenjörskonst vid University of Illinois i Urbana-Champaign. Hans grupps ljudfokuserande enhet är en uppsättning av aluminium med smalhalsade resonanshåligheter vars dimensioner är avstämda för att interagera med ultraljudsvågor. Hålrummen är fyllda med vatten. Fang liknar dem vid en rad blåsinstrument, till exempel pipor i en orgel. När ultraljudsvågor rör sig genom arrayen, resonerar hålrummen så att ljudet fokuseras. Hålrummen samverkar för att bryta ljudet, säger Fang.

Detta är ett stort steg framåt för akustiska metamaterial, säger Steven Cummer , en docent i elektro- och datorteknik vid Duke University. Cummer var involverad i utvecklingen av den första optiska cloaking-enheten. Det är en bra experimentell bekräftelse på att idéer från elektromagnetik kan utvidgas till akustik, säger han. Att komma på ett bra sätt att göra detta experimentellt var inte lätt.

Ultraljudssystemet, beskrivet i journalen Fysiska granskningsbrev , har ännu inte överskridit diffraktionsgränsen. Men forskarna förväntar sig att Fang ska slå det snart. Jag är säker på att vi inte kommer att ha länge att vänta, säger John Pendry , en professor i teoretisk fast tillståndsfysik vid Imperial College London, som designade materialen som användes av Duke-forskare för att göra den första osynlighetsmanteln.

Det finns många viktiga applikationer som väntar på en framgångsrik sub-våglängds akustisk fokuseringsanordning, säger Pendry. Den första tillämpningen av akustiska metamaterial kommer sannolikt att vara i högupplöst klinisk ultraljudsavbildning, säger Fang. Utan att pumpa in mer energi i vävnaden kan du ge en skarpare bild. Han konstaterar dock att ansökningar är en väg bort. Vi har fokuserat, men ännu inte tagit bilder, säger Fang.

Dölj