Onderzoekers hebben een nieuw materiaal gemaakt waar geluidsgolven op een bijzondere manier doorheen bewegen. Het materiaal kan geluidsgolven exponentieel versterken en kan gebruikt worden om sensoren te verbeteren.
Het was behoorlijk puzzelen, maar het is onderzoekers van het Amsterdamse onderzoeksinstituut AMOLF gelukt. Samen met Duitse, Zwitserse en Oostenrijkse collega’s hebben ze een bijzonder materiaal, dat bedacht was door theoretici, in elkaar gezet. Het materiaal versterkt geluidsgolven die erdoorheen bewegen. De manier waarop dat gebeurt, maakt het metamateriaal geschikt voor toepassingen in communicatiesystemen en sensoren. De resultaten verschenen in het wetenschappelijk vakblad Nature.
Het maaksel is een zogeheten metamateriaal: een kunstmatig gemaakt materiaal dat unieke eigenschappen heeft die in de natuur niet voorkomen. In dit geval is dat het versterken van geluidsgolven. ‘Dat is gek, want een normaal materiaal kan geen energie toevoegen aan een golf. En dat is wel wat er moet gebeuren als je een golf wilt versterken’, zegt natuurkundige Ewold Verhagen van AMOLF. ‘Je hebt dus een materiaal nodig waar je energie in kunt stoppen. Dat betekent dat het geen gewoon materiaal is dat je in de natuur kunt vinden.’
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Metamateriaal keten
Het metamateriaal is geïnspireerd op een Kitaev-keten. Dit is een supergeleidend nanodraadje dat je natuurkundig kunt beschrijven als een ketting van repeterende onderdelen, of atomen. Volgens theoretische voorspellingen kan het gedrag van elektronen in een Kitaev-keten ervoor zorgen dat aan de uiteinden van die draad zogeheten majorana-toestanden ontstaan. Die zijn niet alleen theoretisch interessant, maar kunnen ook gebruikt worden voor quantumcomputers.
Wat het nieuwe metamateriaal gemeen heeft met een Kitaev-keten, is dat het uit een keten van op een speciale manier aan elkaar gekoppelde onderdelen bestaat. Bij een Kitaev-keten beïnvloedt het materiaal het gedrag van de aanwezige elektronen, terwijl het in dit nieuwe metamateriaal gaat het om gedrag van geluidsgolven of lichtgolven.
Het nieuwe materiaal bestaat uit een keten van mechanische nanoresonatoren – kleine snaartjes – die aan elkaar gekoppeld worden met een soort veertjes, zodat de golfbeweging van het ene naar het andere snaartje doorgegeven kan worden. ‘Dat lukt niet met mechanische veren, omdat we speciale koppelingen nodig hebben die de gewenste natuurkundige eigenschappen hebben en energie toevoegen om die golven te kunnen versterken’, zegt Verhagen.
Lichtveren
De onderzoekers gebruikten daarom licht om de nanosnaartjes te koppelen. Verhagen: ‘Als een van de snaartjes trilt, dan verandert de intensiteit van het gekoppelde licht en daardoor verandert de kracht die het licht uitoefent op het volgende nanosnaartje. Zo maken we lichtveren als schakels in de keten.’ En door de lichtintensiteit van de laser die daarvoor gebruikt wordt te variëren, kunnen onderzoekers golven versterken.
Nadat ze een keten van vijf nanosnaartjes met lichtveren hadden gemaakt, keken de onderzoekers wat dit metamateriaal doet met geluidsgolven. Dat deden ze door een snaartje aan te drijven zodat het ging trillen. Vervolgens keken ze hoe de trilling – de geluidsgolf – door de keten beweegt. De golf bleek precies op de voorspelde manier versterkt te worden.
Eenrichtingsversterking
‘We zagen ook dat de geluidsgolven op een gekke manier in één richting bewegen’, zegt Verhagen. ‘Als je de eerste snaar aandrijft, dan trillen die snaren daarna steeds harder, volgens het versterkingseffect. Maar als je het omgekeerde doet en dus de laatste snaar aan het trillen brengt – precies op dezelfde manier – dan gebeurt er helemaal niets. Alleen die laatste snaar beweegt en de rest blijft stilstaan, alsof die snaar ontkoppeld is van de rest van de keten.’ De versterking gebeurt dus in een richting. De golf wordt in de andere richting gedempt.
Maar wanneer de onderzoekers de laatste snaar aandrijven met een golf die een beetje vertraagd is – met een kwart van de trillingsperiode – dan keert het gedrag om. De geluidsgolf beweegt dan van de laatste naar de eerste snaar en wordt onderweg versterkt. En er gebeurt niets als je de eerste snaar aandrijft. ‘Dat is echt gek gedrag’, zegt Verhagen.
Communicatie en sensoren
Dit gekke gedrag heeft toepassingen. Het versterken van geluidsgolven in slechts één richting betekent dat het geluidsgolven beschermt tegen verstorende weerkaatsingen en ruis. En dit werkt ook met lichtgolven. Dat is nuttig in huidige communicatiesystemen en mogelijk ook in toekomstige vormen van quantumcommunicatie.
Over een andere toepassing is Verhagen nog enthousiaster: sensoren. ‘Er gebeurt namelijk iets bijzonders als het laatste snaartje ontstemd raakt, bijvoorbeeld doordat er een signaal langskomt dat je wilt detecteren of doordat er een molecuul aan het snaartje vastplakt’, zegt hij. Als dat gebeurt, dan beweegt de geluidsgolf ineens niet meer in één richting, maar klapt hij aan het einde om en wordt hij op de terugweg verder versterkt. Dat levert dus een dubbele versterking op, en daarmee een extra krachtig signaal. Dat signaal vertelt je bovendien iets over hetgeen dat de laatste snaar verstoorde. ‘Op die manier is het metamateriaal-keten dus een extreem gevoelige sensor voor zwakke signalen of kleine hoeveelheden van bepaalde moleculen’, zegt Verhagen. ‘En de sensor wordt exponentieel gevoeliger naarmate je meer snaartjes toevoegt.’
Ook helpt dit materiaal met het bedenken van nieuwe metamaterialen in de toekomst. Door het gedrag van dit metamateriaal te vergelijken met het theoretische materiaalontwerp, doen de onderzoekers kennis op waarmee ze nieuwe metamaterialen kunnen ontwerpen met andere, nuttige en interessante eigenschappen.
