Equipe de pesquisa propõe um novo tipo de cristal acústico com mudanças suaves e contínuas nas propriedades elásticas
Densidade de estados de cristais fonônicos constituídos por cilindros de aço embutidos em polietileno de alta densidade (PEAD), representados aqui para σ = 50. Cálculos separados foram realizados para dois casos distintos:modos xy perpendiculares (esquerda) e modos z paralelos a os dispersores (à direita). Notavelmente, quando o alargamento η suaviza a função de passo do parâmetro, numerosos novos intervalos de banda completos (DOS desaparecidos) aparecem para ambos os modos. Crédito:Cartas Eurofísicas (2024). DOI:10.1209/0295-5075/ad1de9 Na penumbra, um gato enxerga muito melhor do que você, assim como cães e animais noturnos. Isso ocorre porque a estrutura do olho de um gato possui um tapetum lucidum, uma camada semelhante a um espelho imediatamente atrás da retina. A luz que entra no olho e que não é focada pelo cristalino na retina é refletida no tapetum lucidum, onde a retina tem outra chance de receber a luz, processá-la e enviar impulsos ao nervo óptico.
Os cientistas ópticos chamam isso de cristal fotônico. Para um gato, são bastonetes paralelos periódicos - eles contêm bandgaps fotônicos que são usados para modificar o fluxo de luz, semelhantes aos bandgaps de elétrons em semicondutores, que são regiões de energia onde não existem estados de energia de elétrons. Esses materiais apresentam alterações em seu índice de refração e assim modificam e redirecionam a propagação da luz.
Outro exemplo são os marcadores refletivos nas calçadas das rodovias que brilham à noite com os faróis dos carros. Os cristais fotônicos, como estes últimos, são fabricados através de camadas de filmes finos usando fotolitografia, perfuração, escrita a laser e outras técnicas.
Os cristais fotônicos proíbem a luz de certas frequências nas partes do meio cristalino por onde a luz viaja. Conforme definido pela ciência, tais cristais têm regiões distintas e periódicas, cada uma com uma constante dielétrica periódica.
Um dielétrico é um material eletricamente isolante, sem elétrons ou átomos livres, que se opõe ao fluxo de elétrons quando um campo elétrico é aplicado. Em vez disso, um material dielétrico polariza quando um campo elétrico é aplicado, com todas as suas moléculas apontando na mesma direção. A água destilada – água purificada que não contém minerais – é um material dielétrico, assim como o vidro, a porcelana, o ar seco, o papel e muitos outros materiais. Os dielétricos são usados em capacitores, telas de cristal líquido e outros dispositivos.
Ampliando esse conceito, "cristais fotônicos funcionais" são materiais que apresentam uma mudança suave e contínua no índice de refração, em vez de uma periodicidade nítida e distinta. Isto permite o controle eletrônico rápido das propriedades de um material.
Os mesmos conceitos existem para cristais fonônicos. Os fônons são ondas sonoras quantizadas, assim como os fótons são ondas de luz quantizadas. Um cristal fonônico é um sólido com mudanças contínuas em suas propriedades, criando um bandgap para energias fotônicas. Estruturas artificiais com variação periódica de parâmetros elásticos podem manipular a propagação de ondas elásticas.
Agora, uma equipe liderada por David Röhlig, da Technische Universität Chemnitz, na Alemanha, está propondo a criação de cristais fonônicos funcionais, com mudanças suaves e contínuas nas propriedades elásticas, em vez de variações periódicas estritas. A pesquisa foi publicada na revista Europhysics Letters .
O índice de refração do som mudaria continuamente dentro do meio de propagação, em vez de descontinuidades na função degrau. Na natureza, essas substâncias são responsáveis pela propagação de ondas sonoras em ondas longas na água e ondas sonoras curvadas na baixa atmosfera.
Usando simulações de computador de alto desempenho, a equipe se concentrou na compreensão do efeito de um pequeno desvio nas propriedades do material da descontinuidade típica da função degrau na densidade fonônica dos estados de energia.
Seus resultados foram surpreendentes:mesmo pequenos desvios da função degrau ideal de um material poderiam causar mudanças grandes e radicais na estrutura da banda fonônica. Isso levaria ao surgimento de muitos recursos procurados, como maiores lacunas de bandas de fônons e múltiplas lacunas de bandas fonônicas.
Como a densidade fonônica dos estados pode mudar tão rapidamente apenas com pequenas mudanças nas propriedades do material, tais propriedades seriam úteis na fabricação, por exemplo, de lentes fonônicas em materiais sólidos ou água, ou para novos dispositivos em ciência de materiais, física aplicada e engenharia. .
"Nossas descobertas apresentam uma nova perspectiva sobre estruturas fonônicas", disse Röhlig, "oferecendo um caminho adicional para induzir a formação de bandgap em geometrias específicas que não possuem essa característica." Observando que a rápida convergência da densidade de estados à medida que os parâmetros da função degrau mudam para serem mais contínuos, Röhlig observa que as mudanças rápidas simplificariam possíveis abordagens de fabricação.
"Se mais estudos puderem validar experimentalmente nossas previsões, nossos resultados poderão encontrar aplicações em microtecnologia e mecatrônica para o projeto de transdutores e atuadores acústico-mecânicos", disse ele.
Mesmo ambientes de grande escala poderiam ser moldados, "como arranjar árvores ou outras unidades de construção de madeira, [objetos] que tenham um perfil de parâmetro radialmente contínuo conhecido ou especialmente projetado em relação à densidade e propriedades elásticas, para melhorar o isolamento acústico ambiente".
