Εστίαση του ήχου χωρίς φακούς

Από την ιστοσελίδα Physical Review Focus, Αύγουστος 2004

Υλικά που εστιάζουν τον ήχο αντί να τον ανακλούν και να τον διαχέουν είναι πια γεγονός. Δρουν αντίστοιχα με τους φωτονικούς κρυστάλλους και θα μπορούσαμε να τους ονομάσουμε φωνονικούς κρυστάλλους. 

Το υλικό του τοίχου του διαμερίσματός σας, ανακλά τα ηχητικά κύματα της δυνατής μουσικής του γείτονά σας μακριά από το καθιστικό σας, ή τουλάχιστον τα διαδίδει σε μικρότερη ένταση. Τα περισσότερα υλικά δρουν με αυτόν τον τρόπο, αλλά στο τεύχος της 9ης Ιουλίου του περιοδικού Physical Review Letters, κάποιοι ερευνητές παρουσιάζουν ένα "φωνονικό κρύσταλλο" με τελείως διαφορετικά χαρακτηριστικά. Μια φέτα από το υλικό αυτό μπορεί να κάμψει τα ηχητικά κύματα και να τα εστιάσει σε μια πολύ μικρή εστία. Αν και το υλικό αυτό δεν είναι κατάλληλο βέβαια για τοίχους, αυτή η αρνητική διάθλαση του ήχου θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερες απεικονιστικές συσκευές με χρήση υπερήχων, με τις οποίες για παράδειγμα θα μπορούσαμε να εντοπίσουμε κρυφές ρωγμές σε ένα σωλήνα μεταφοράς αργού πετρελαίου ή να παρακολουθήσουμε ένα αναπτυσσόμενο έμβρυο.  

κατά την προηγούμενη δεκαετία, διάφοροι ερευνητές ανέπτυξαν διάφορα φωνονικά υλικά, των οποίων η βασική ιδιότητα είναι ότι μπλοκάρουν συγκεκριμένες ηχητικές συχνότητες. Ο John Page του πανεπιστημίου της Manitoba, του Καναδά, και οι συνεργάτες του, δημιούργησαν έναν απλό φωνονικό κρύσταλλο, βυθίζοντας μέσα σε νερό μια διάταξη από χάνδρες καρβιδίου του βολφραμίου, διαμέτρου 0,8mm σε μια διάταξη που θυμίζει πορτοκάλια μέσα σε ένα καλάθι. Ηχητικά κύματα σε μια περιοχή συχνοτήτων γύρω από μια κεντρική συχνότητα του 1 MHz, - η συχνότητα αυτή είναι κοντά στη διάμετρο των χανδρών - δεν μπορούν να διεισδύσουν μέσα στη δομή αυτή. Ο απλούστερος τρόπος να κατανοήσουμε αυτό το χάσμα συχνοτήτων στη διάδοση των κυμάτων είναι να σκεφτούμε ότι τα ακουστικά κύματα σκεδάζονται από τις πυκνές χάντρες. Το μέγεθος και η διάταξη των χαντρών εξασφαλίζει ότι κάθε κορυφή των σκεδαζόμενων κυμάτων συναντάται με μια όμοια κοιλάδα η οποία και την εξουδετερώνει. Η διαδικασία αυτή στη φυσική, λέγεται αποσβεστική συμβολή. 

Οι ερευνητές ένιωσαν έκπληξη όταν έψαξαν για την εμφάνιση του φαινομένου από τον κρύσταλλο σε υπερηχητικές συχνότητες πάνω από την απαγορευμένη περιοχή. Τα ηχητικά κύματα στα 1,6 MHz που παράγονταν από μια μικρή πηγή τοποθετημένη ακριβώς πάνω από την πλάκα του κρυστάλλου, πάχους 8 mm, συνέχισαν να διαχέονται καθώς περνούσαν μέσα από το φωνονικό υλικό. Αλλά ηχητικά κύματα με ελαφρά μικρότερες συχνότητες στα 1,57 MHz συμπεριφέρονταν κατά τον αντίθετο ακριβώς τρόπο. Ο κρύσταλλος τα έκαμπτε προς ένα εστιακό σημείο ακριβώς κάτω από την πλάκα. 

Αυτή η αρνητική διάθλαση - κάμψη κατά την αντίθετη από την αναμενόμενη κατεύθυνση - προκύπτει από το ίδιο ουσιαστικά είδος συμβολής που δημιουργεί και το χάσμα συχνοτήτων σε χαμηλότερες συχνότητες. Στην περίπτωση αυτή η αποσβεστική συμβολή συμβαίνει για κύματα που διαδίδονται στις περισσότερες κατευθύνσεις αλλά όχι και για κείνα που κατευθύνονται αποκλειστικά προς το εστιακό σημείο. Ο σχηματισμός συμβολής μεταβάλλεται δραματικά με μια μικρή μεταβολή στη συχνότητα, σε αντίθεση με τα συνηθισμένα υλικά όπου οι μεταβολές των σχηματισμών συμβολής είναι περισσότερο βαθμιαίες. Οι ερευνητές δημιούργησαν ένα θεωρητικό μοντέλο της διάδοσης των σημάτων μέσα από τον κρύσταλλο και πήραν μια καταπληκτική συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα, λέει ο Page. 

Η απεικόνιση με υπερήχους συνήθως χρησιμοποιεί φακοειδή αντικείμενα τα οποία συγκεντρώνουν τους υπερήχους με τρόπο ανάλογο των φακών για το φως. Αλλά οι φωνονικοί κρύσταλλοι λέει ο Page, μπορούν να προσφέρουν βελτιωμένη ανάλυση εικόνας σε κλίμακες κοντά στο μήκος κύματος των υπερηχητικών ταλαντώσεων - τυπικά περί το 1 mm ή και λιγότερο - όπου οι συμβατικές τεχνικές απεικόνισης των υπερήχων αρχίζουν να αποτυγχάνουν. Οι γιατροί χρειάζονται απεικόνιση με υπερήχους για τη διάγνωση καρδιακών προβλημάτων ή για να παρακολουθήσουν την ανάπτυξη ενός εμβρύου, οι μηχανικοί τη χρησιμοποιούν για να ανιχνεύσουν ατέλειες σε πετρελαιαγωγούς στις πτέρυγες των μαχητικών αεροπλάνων. 

"Τα αποτελέσματα είναι εντυπωσιακά" λέει ο John Pendry του Imperial College, στο Λονδίνο. Η πρώτη απόδειξη αρνητικής διάθλασης για το φως  προκάλεσε μια ανατάραξη, θυμάται ο ίδιος, αλλά συμπληρώνει ότι τώρα δεν υπάρχει αμφιβολία ότι το φαινόμενο πράγματι συμβαίνει. Δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι η αρνητική διάθλαση συμβαίνει και για τα ακουστικά κύματα, προσθέτει ο ίδιος, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι η πειραματική απόδειξη ήταν εύκολη. "Οι ερευνητές της Manitoba έχουν κάνει μια πρώτης τάξης δουλειά.