Ventil für Schallwellen

Topologische Isolatoren sind eine neue Klasse nanostrukturierter Materialien, die ungewöhnliche elektrische Eigenschaften zeigen. So sind sie in ihrem Inneren ein perfekter Isolator, leiten Elektronen an ihrer Oberfläche jedoch nahezu ohne Widerstand. Nachdem Physiker topologische Isolatoren für Elektronen und Lichtwellen entwickelt haben, übertrugen nun Wissenschaftler in China das gleiche Konzept auf Schallwellen. Ihren ersten akustischen topologischen Isolator stellen sie nun in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ vor.

„Unser akustischer topologischer Isolator ermöglicht eine Schallausbreitung, die immun ist gegen jede Art der Rückstreuung“, sagt Ming-Hui Lu von der Nanjing University. Damit wären in Zukunft akustische Systeme möglich, die vergleichbar mit einem Ventil Schallwellen ohne Verluste gezielt in eine Richtung lenken könnten. Für ihre Entwicklung simulierte sie mit ihren Kollegen die Ausbreitung von Schallwellen durch ein Areal aus mehr oder weniger symmetrisch aufgestellten, kleinen Stahlzylindern. Auf der Basis dieser Simulationen, bei denen das Wellenverhalten von Schallwellen viele Analogien zur Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen zeigte, entwarfen die Forscher einen ersten Prototyp.

Auf einer hexagonalen, wabenartigen Grundfläche ordneten Lu und Kollegen Hunderte kleine Stahlzylinder mit unterschiedlichen Durchmessern im Bereich weniger Millimeter an. Für die Schallausbreitung spielten die variierenden Ausbreitungsgeschwindigkeiten in Luft mit 343 Metern pro Sekunde und im Stahl mit 6010nbsp;Metern pro Sekunde eine zentrale Rolle. An einer Seite wurde dieses Areal mit einem hochfrequenten Ton beschallt (20,1 Kilohertz Frequenz). Rund um den Prototyp nahmen empfindliche Mikrofone die Schallwellen wieder auf. Aus diesen Aufzeichnungen ließ sich der Verlauf der Schallwellen und das Streuverhalten an den Stahlzylindern ermitteln.

In einem Versuch konnte das Mikrofon an der gegenüberliegenden Seite den Ton ohne nennenswerte Intensitätsverluste nachweisen. Reflektierte Schallwellen in Richtung der Schallquelle waren dagegen nicht nachweisbar. So wirkte das Areal tatsächlich wie eine Art Schallventil. Geringe Veränderungen der Schallfrequenz führten jedoch zu deutlich anderen Ergebnissen bis zur kompletten Absorption des Tons.

Auf der Basis dieser ersten Experimente mit einem akustischen topologischen Isolator können sich die Forscher vorstellen, Module für eine speziell kontrollierte Schallausbreitung zu entwickeln. Je nach Dimensionen der verwendeten Stahlzylinder könnte die Wirkung des topologischen Isolators an die gewünschte Frequenz vom Ultraschall über hörbare Töne bis zum Infraschall angepasst werden. Damit ließe sich theoretisch nicht nur eine perfekte Schallisolation entwickeln, sondern es könnten nach Meinung der Forscher auch quantenphysikalische Eigenschaften von Schallwellen untersucht werden.