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News: Akustischer Wellenbrecher

Um Schall zu erzeugen, bedarf es keiner aufwändigen Technik, jedoch lässt sich eine einmal erzeugte Welle nur unzureichend steuern und bei der Ausbreitung beeinflussen - anders als beispielsweise in der Optik. Hier gibt es Spiegel, Linsen und Gitter zuhauf, mit denen sich die Lichtwellen nach Belieben lenken lassen. Nun stellten Physiker ein Bauelement vor, mit dem sich auch Schallwellen in zwei Wellenzüge aufspalten und um bis zu 90 Grad umleiten lassen.
In der Elektronik kennt man sie schon seit langem – Materialien, deren physikalische Eigenschaften sich besonders dazu eignen, elektrische Ströme zu regeln. Solche Halbleiter haben die Technik revolutioniert, und ohne sie wäre kein moderner Computer denkbar. Ein ähnlich vielseitiger Stoff ist mittlerweile auch in der Optik unter dem Namen photonischer Kristall bekannt. Er besitzt analog zu den Halbleitern eine so genannte Bandlücke, die in seinem Fall nur Lichtwellen bestimmter Energie beziehungsweise Frequenz den Weg hindurch gestattet. Wissenschaftler hofften, dass sich ähnliche Materialien auch für akustische Wellen finden würden. Doch war es hier bislang sehr schwierig, bestimmte Wellenlängen ganz zu unterdrücken.

Nun gelang es spanischen Physikern um Manuel Torres vom Institute of Applied Physics des Spanish Council for Scientific Research in Madrid, ein Steuerelement für Schall herzustellen, das auch ohne eine perfekte akustische Bandlücke auskommt. Die Forscher bohrten dazu in eine zwei Zentimeter dicke Platte einer Aluminiumlegierung Löcher, und zwar in der Art, dass sich vier quadratische Lochgitter ergaben: Dabei standen sich je zwei gleich Orientierte gegenüber, liefen keilförmig aufeinander zu und trafen sich an der Spitze, während die benachbarten Gitter entsprechend um je 45 Grad verdreht in das Material gebohrt wurden.

Anschließend füllten Torres und sein Team die Löcher mit Quecksilber – und fertig war der akustische Wellenteiler. Denn es zeigte sich im Experiment, dass er eine einfallende Ultraschallwelle aufspaltete. Dabei pflanzte sich zum Erstaunen der Physiker die Welle beim Übergang zwischen zwei Kristallbereichen nicht gemäß dem Snelliusschen Brechungsgesetz fort, das im Allgemeinen die Brechung von Wellen an Grenzflächen beschreibt. Vielmehr entschied sich die Schallwelle an der Grenze nun dem neuen Gitter zu folgen, also im Winkel von 45 Grad durch das Material zu wandern. Damit folgte sie immer der so genannten leichten Richtung des künstlichen Kristalls – entlang der Reihen aus Quecksilbersäulen, die gleichsam eine Allee bildeten. Ein solches Phänomen war aus der Optik bisher nicht bekannt.

Sind die Gitterpaare in geeigneter Weise angeordnet, lässt sich die einfallende Schallwelle sogar im rechten Winkel ablenken. Deshalb gehen die Forscher auch davon aus, dass sich eine großflächige, wiederholende Struktur dieser paarweise orientierten Quecksilbergitter als Falle für Schallwellen eignen könnte. Sie würden dann – einmal in das Material eingedrungen – immer wieder umgelenkt und dadurch gefangen, was insgesamt bestimmte Frequenzen des Schallspektrums abschwächen würde. Ließe sich das Prinzip in ähnlicher Weise auch auf ein optisches Pendant übertragen, so könnte es nach Meinung der Wissenschaftler auch als Alternative für photonische Kristalle dienen.

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