Ротоны – это квазичастицы, а это означает, что они ведут себя аналогично свободным частицам. В отличие от обычных акустических волн в газах, жидкостях и твердых телах, скорость звука значительно изменяется с длиной волны. Кроме того, определенные частоты генерируют три разных парциальных волны. «Самая медленная из них – это обратная волна: поток энергии и волновые фронты движутся в совершенно противоположных направлениях», – объясняет профессор Мартин Вегенер из Института прикладной физики (APH) и Института нанотехнологий KIT (INT).
Понимание и извлечение пользы из квазичастиц, таких как ротоны, – одна из важнейших задач квантовой физики. Физик Лев Ландау, получивший Нобелевскую премию в 1962 году за свою новаторскую работу, предсказал их существование в контексте сверхтекучести, состояния, при котором жидкость теряет внутреннее трение и становится теплопроводной почти идеальным образом. До сих пор ротоны можно было наблюдать только в особых квантово-физических условиях при очень низких температурах – и поэтому они не подходили для технических приложений.
Ротоны без каких-либо квантовых эффектов
Это может измениться в будущем: в кластере передовых технологий 3D Matter Made to Order KIT и Гейдельбергского университета группа исследователей работает над метаматериалами, которые «выращивают» ротоны. Метаматериалы обладают оптическими, акустическими, электрическими или магнитными свойствами, которые не встречаются в природе. Ученые предлагают искусственный материал, который может производить ротоны без каких-либо квантовых эффектов при нормальных условиях окружающей среды и почти на случайных частотах или длинах волн.
Таким образом, в будущем может появиться возможность лучше управлять звуковыми волнами в воздухе или в материалах, например, чтобы отразить их, перенаправить или создать эхо. Эти материалы еще не были продемонстрированы экспериментально; однако должно быть возможно производить их с использованием таких технологий, как сверхточная 3D-лазерная печать. «Тем временем мы даже создали некоторые из этих метаматериалов», – говорит профессор Мартин Вегенер. «В настоящее время мы интенсивно работаем над прямым экспериментальным доказательством существования ротонов."
3D-печать – выход из цифрового мира в физический
Доктор. И Чен, ведущий автор публикации, объясняет, что исследователи полагались на сочетание отражения, множества дискуссий, численного моделирования и оптимизации, чтобы разработать компьютерный виртуальный дизайн материалов с такими новыми свойствами.
Его работа в качестве постдокторского исследователя в KIT финансируется Фондом Александра фон Гумбольдта и интегрирована в программу Гельмгольца под названием «Разработка систем материалов», запущенная в 2021 году. «В общем, наша мечта – создавать материалы на компьютере, а затем воплощать их в жизнь – без многолетних проб и ошибок. Таким образом, 3D-печать – это всего лишь автоматизированный преобразователь цифрового мира в физический », – объясняет профессор Мартин Вегенер.(или)