Phononische Kristalle

Einem Team von Akustikforschern der Empa ist es gelungen, makroskopische Kristallstrukturen zu bauen, die innere Drehbewegungen nutzen, um die Ausbreitung von Schallwellen abzuschwächen. Mit der Methode lassen sich sehr leichte und steife Materialien entwerfen, die auch tiefe Frequenzen besonders gut „schlucken” können. Die Welt der Kristalle bietet viele interessante Eigenschaften: Kristalle können etwa in Einwegfeuerzeugen elektrische Funken schlagen, sie können polarisiertes Licht herstellen und sie können gebündelte Röntgenstrahlen in tausende von Einzelreflexe zerlegen, die in alle Raumrichtungen gestreut werden.

Manche dieser Eigenschaften bleiben auch dann erhalten, wenn man die atomaren Kristallstrukturen 100-millionenfach vergrössert und die Kristalle im Gross-Massstab nachbaut. Dies machen sich Physiker seit einigen Jahren zu Nutze: Wenn die Originalkristalle sehr kurzwellige Röntgenstrahlen streuen, können die vergrösserten Kopien langwellige Schwingungen in alle Richtungen streuen. Ein sehr eleganter Weg für Vibrationsdämpfung ist damit gefunden. Vergrösserte Kristallstrukturen mit solchen akustischen Eigenschaften nennt man phononische Kristalle.

Andrea Bergamini und seinem Team der Empa-Abteilung Akustik / Lärmminderung ist es nun gelungen, Zusatzeigenschaften in die Kristalle zu integrieren, die im Original nicht vorhanden sind. Die Forscher bauten kleine, drehbare Teller in die Kristallstrukturen, die in der Lage sind, Schwingungen entlang der Längsachse in Torsionsbewegungen umzusetzen. Erstmals lässt sich eine unerwünschte Schwingung nicht nur in verschiedene Raumrichtungen streuen, sondern auch in Wärmeenergie umwandeln. Erste Tests im Akustik-Labor zeigen, wieviel Potential in der Idee steckt: Man kann die sprechenden Personen deutlich sehen und auch gedämpft hören, wer gerade spricht. Doch vom gesprochenen Text ist kein einziges Wort zu verstehen

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Bild: Gian Vaitl / Empa

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