Eine bahnbrechende Entwicklung in der Physik hat eine neue Struktur hervorgebracht, die als Wellenleiter für Phononen fungiert. Diese innovative Technologie, ein Trampolin aus Siliziumnitrid, wurde von einem Team von Physikern der Universität Konstanz, der Universität Kopenhagen und der ETH Zürich entworfen. Mit nur 0,2 Millimetern Breite und einem Sprungtuch von 20 Millionstel Millimetern Dicke, ist das Trampolin durch ein Muster aus dreieckigen Löchern charakterisiert und schwingt in verschiedene Richtungen. Im Zentrum tritt ein bemerkenswertes „Trampolin im Trampolin“ auf, wobei die Schwingungen in einem perfekten Dreiecksmuster verlaufen. Solche Eigenschaften machen es möglich, Phononen nahezu verlustfrei „um die Ecke“ zu leiten.
Phononen, die als „Schallquanten“ beschrieben werden, sind essenzielle Bestandteile der Schwingungen im Kristallgitter eines Festkörpers. Laut uni-konstanz.de kann dieses Trampolin Phononen um enge Kurven von bis zu 120 Grad leiten, wobei die Verlustquote bemerkenswerte weniger als eins zu zehntausend beträgt. Diese Verlustquote ist vergleichbar mit der modernen Telekommunikationstechnik, was auf ein großes Potenzial dieser Technologie in praktischen Anwendungen hinweist.
Forschung und Entwicklung
Der Designer dieses faszinierenden Trampolins, Prof. Dr. Oded Zilberberg, hat auch die Möglichkeit in Betracht gezogen, ein Mensch großes Modell zu entwickeln. Diese Forschung wird von mehreren Institutionen unterstützt, darunter der Europäische Forschungsrat und die Deutsche Forschungsgemeinschaft. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht, was die Relevanz und den Innovationsgrad dieser Arbeit unterstreicht.
Diese Entwicklungen kommen in einem Kontext, der die Relevanz phononischer Strukturen und deren Anwendung in modernen Technologien betont. Bei Experimenten von Jiade Li und seinen Kollegen vom Chinesischen Institut für Physik wurde beispielsweise das phononische Spektrum von Graphen mit hoher Detailgenauigkeit erfasst. Diese Studien zeigen, dass Phononen in Kristallen gemäß einer Bandstruktur mit topologischen Merkmalen agieren können. Graphen hat bereits topologische Elektronen nachgewiesen, und die neuen Befunde deuten darauf hin, dass es auch topologische Phononen gibt. Wie aps.org berichtet, ist dies entscheidend für das Verständnis und die Entwicklung phononischer Geräte.
Topologische Phononen und deren Anwendungen
Topologische Materialien sind durch ihre besonderen Eigenschaften gekennzeichnet, wie dissipationsfreie Oberflächenströme, die weniger empfindlich gegenüber Verunreinigungen und Defekten sind. Dies eröffnete die Möglichkeit, phononische Geräte wie Phonon-Dioden zu entwickeln. Die Zukünftigen Forschungen konzentrieren sich darauf, topologische phononische Randzustände nachzuweisen, was für die technologische Umsetzung von Bedeutung ist.
Zusätzlich zu den innovativen Designs in der Phononenforschung sind weiteres Wissen über Phononen, wie sie in Kristallen mit Erhalt der Spiegel- oder Inversionssymmetrie auftreten, von Bedeutung. In diesem Zusammenhang haben Forscher in aktuellen Studien nachgewiesen, dass Weyl-Phononen in nicht-zentrosymmetrischen Strukturen existieren. Weyl-Phononen werden durch die Chern-Zahl beschrieben und ermöglichen eine Klassifizierung basierend auf (Schraub-)Rotationssymmetrien. Laut nature.com wurden diese topologischen Phononen durch inelastische Röntgenstreuung experimentell nachgewiesen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kombination aus den Entwicklungen in der Trampolin-Technologie und der Forschung zu topologischen Phononen vielversprechende Perspektiven für zukünftige Technologien eröffnet. Die Verknüpfung von theoretischen Modellen und experimentellen Erkenntnissen wird voraussichtlich eine neue Ära in der Physik der Festkörpermaterialien einläuten.
