Materialforschung Ein Metamaterial manipuliert Schallwellen

Redakteur: Peter Königsreuther

In den meisten Medien breitet sich der Schall konstant aus. Sind aber sogenannte Rotonen im Spiel, ändert sich die Schallgeschwindigkeit mit der Wellenlänge. Das will man jetzt gezielt ausnutzen.

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Das ist das Bauprinzip einer elastischen Metamaterialstruktur, die man am KIT untersucht. Sie besteht aus einem einzigen linear-elastischen Werkstoff, heißt es, der Schallwellen sogar rückwärts laufen lassen kann.
Das ist das Bauprinzip einer elastischen Metamaterialstruktur, die man am KIT untersucht. Sie besteht aus einem einzigen linear-elastischen Werkstoff, heißt es, der Schallwellen sogar rückwärts laufen lassen kann.
(Bild: Yi Chen / KIT)

Akustische Wellen breiten sich in Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen mit fast konstanter Schallgeschwindigkeit aus. Durch Rotonen, das sind freie Quasiteilchen, könnten Schallwellen aber sogar zum Rückwärtslaufen gebracht werden, sagen Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Das soll jetzt im Rahmen von künstlichen Materialien Vorteile bringen. Und: bisher konnte man Rotonen nur unter speziellen quantenphysikalischen Voraussetzungen und sehr tiefen Temperaturen beobachten. Eine technischen Nutzung sei deshalb ausgeschlossen gewesen. Das kann sich bald ändern.

Rotonen ohne Quanteneffekte herstellen

Im Exzellenzcluster 3D Matter Made to Order des KIT und der Universität Heidelberg designen Forschende per Computer an Metamaterialien, die Rotonen gleichsam züchten. Mit hoch präzise arbeitenden 3D-Laserdruckern könne man diese Realität werden lassen – ohne störende Quanteneffekte. In diesen Materialstrukturen könnte Schall auf bisher unerreichte Weise manipuliert oder gelenkt werden, ist man sich sicher. Denn Für bestimmte Frequenzen beobachtet man bei Rotonen drei verschiedene Teilwellen, heißt es weiter. Die langsamste davon ist eine Rückwärtswelle, bei der der Energiefluss und die Wellenfronten in genau entgegengesetzten Richtungen laufen. Aber auch in Sachen Optik sowie Elektrizität und Magnetismus sollen sich Rotonen anders verhalten, als übliche Werkstoffe – ein weiteres Forschungsfeld.

Über ihre Arbeit berichten die Wissenschaftler aktuell in Nature Communications. (DOI: 10.1038/s41467-021-23574-2).

(ID:47452797)