В Швейцарии создали материал для электроники будущего без электрических схем
Метаматериалы — это один из самых интересных и быстро развивающихся разделов современной науки о материалах. На первый взгляд они могут выглядеть как обычный металл или пластик, но на микроуровне имеют сложную, искусственно созданную структуру, которая придает им совершенно необычные свойства. Исследователи из ETH Zurich представили новый тип такого материала — фононный метаматериал, способный точно контролировать механические волны. Результаты исследований опубликованы в журнале Physical Review X.
Что такое фононный метаматериал
Профессор Деннис Кохманн из ETH Zurich уже давно занимается этой областью.
«Удивительно, как благодаря особой микроструктуре можно наделить материал свойствами, которыми он от природы не обладает», — говорит он.
Новый материал умеет управлять распространением механических колебаний и акустических волн. Такие метаматериалы могут собирать энергию из вибраций, защищать от ударов, ослаблять шум или даже обрабатывать сигналы чисто механическим способом — без электричества. Это открывает возможности для создания механических датчиков, микроэлектроники нового поколения и даже элементов будущих механических компьютеров без электричества.
Как устроена структура
Ученые взяли чрезвычайно тонкую кремниевую мембрану и с помощью фотолитографии и травления создали на ней сложнейший узор. Он состоит из миллионов крошечных квадратных элементов. Каждый квадрат по диагонали разделен на четыре части, а в центре находится четырехконечная звезда. Важная деталь: эти звезды не одинаковые. Их форма и длина «лучей» постепенно меняются по всей мембране.
«Конструкция нашего метаматериала работает как пазл, — объясняет Кохманн. — Разные элементы выполняют разные функции: одни отклоняют волны под прямым углом, другие разделяют их в зависимости от частоты».
Как проводили эксперимент
Чтобы проверить работу материала, исследователи в чистой комнате Центра нанотехнологий ETH Zurich изготовили несколько таких мембран. Затем с помощью лазерных импульсов они заставляли мембрану вибрировать и с помощью оптических методов в реальном времени наблюдали, как распространяются волны.
Результаты впечатлили. Волны двигались точно по заданным траекториям — например, в форме восьмерки. Хотя материал изначально проектировали под частоту 750 кГц, он отлично работал в широком диапазоне — от 250 до 800 килогерц.
«Мы не планировали такой широкий диапазон частот, поэтому это стало приятным сюрпризом», — отметил соавтор исследования Вигнеш Каннан.
Где можно использовать
В отличие от полимерных метаматериалов, которые часто печатают на 3D-принтерах, кремниевая мембрана обладает очень низким демпфированием (затуханием). Это значит, что колебания в ней сохраняются намного дольше. По словам Каннана, это большое преимущество для практического применения.
Такие метаматериалы могут найти применение в самых разных сферах: от подошв спортивной обуви и защитных шлемов до микроэлектроники. Они способны гасить вредные вибрации в чипах, работать как механические датчики в труднодоступных местах и даже собирать энергию из окружающих колебаний, преобразуя ее в электричество с помощью пьезоэлементов.
Сейчас команда Кохманна планирует сделать структуры еще меньше и глубже разобраться в физических принципах их работы.
«Пока не совсем ясно, почему конструкция так надежно работает на таком широком диапазоне частот», — признает профессор.
Несмотря на прикладной потенциал, Кохманн подчеркивает важность фундаментальных исследований:
