Испанские ученые предложили акустический аналог графена
 Структура, сформированная учеными из органического стекла для доказательства существования дираковского конуса в случае акустических волн. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Для графена, открытого в 2004 году и представляющего собой двумерную гексагональную кристаллическую решетку из атомов углерода, характерен целый набор удивительных электронных свойств. Многие из них проявляются из-за того, что графен представляет собой полупроводник с нулевой шириной энергетической запретной зоны между зонами валентности и проводимости. В точке, где встречаются эти две зоны, соотношение между энергией и импульсом электрона описывается формулой Дирака и напоминает аналогичное выражение для фотонов. Графически ситуацию с зависимостью энергии от импульса для электрона в этой «нейтральной точке» можно изобразить в виде конуса, получившего название дираковского. Именно эта особенность позволяет электронам проходить через графен на чрезвычайно высоких скоростях.
Продолжая исследования в этом направлении, группа ученых из Polytechnic University of Valencia (Испания) попыталась выяснить, существует ли аналог подобной ситуации для акустических волн. Для начала они рассчитали параметры звуковой волны, которая может распространяться по поверхности полиметилметакрилата, также известного как органическое стекло или плексиглас. После этого они «модифицировали» лист органического стекла, сформировав в нем сотовую структуру из отверстий.
В процессе исследований ученых больше всего интересовала дисперсия звуковых волн, в зависимости от их энергии и импульса (аналог ситуации с распространением электронов в гексагональной структуре графена). Расчеты ученых показали, что поверхностные акустические волны лучше всего описываются уравнением Дирака, более того, для них также существует точка «нейтральности» (и, соответственно, дираковский конус). В частности, модель демонстрирует существование поверхностных акустических волн с определенной частотой и скоростью, которые должны распространяться через данный материал без рассеяния.
Для поиска указанных частоты и скорости распространения волны на практике ученые использовали лист органического стекла размерами 300 на 100 мм; отверстия, формирующие сотовую структуру, были расположены на расстоянии 3,33 мм друг от друга, имели диаметр 3 мм и глубину – 2,88 мм. Сформированный таким образом лист подключался к динамику, а уровень звука измерялся с помощью микрофона в двух различных точках листа. Для проверки теории ученые использовали импульсы звуковых волн с основной гармоникой в 22 КГц и длительностью порядка 5 КГц (частота была выбрана, согласно проведенным ранее расчетам).
Измерения показали, что подобранные параметры эксперимента соответствуют точке «нейтральности» на дираковском конусе. Вблизи этой точки была зафиксирована линейная зависимость энергии и импульса звуковых волн, что является известной особенностью дираковского конуса в случае с электронной зонной структурой.
Ученые считают, что пока слишком рано говорить о том, что акустические материалы с «нейтральной точкой» можно применять на практике. Однако уже сейчас можно предположить одну из возможных сфер применения – акустические линзы, фокусирующие звук без потерь на его отражение. Кроме того, исследователи полагают, что созданный материал может использоваться для моделирования процесса распространения электронов через графен. Подробные результаты их работы были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Также по теме:
- Графен узлучает в инфракрасном диапазоне
- Вариации характеристик нанотрубок влияют на производительность транзисторов
- Графаны заменят графен в практических приложениях
- Графен может быть идеальным адсорбером для света
- Atomic Weights of Carbon, History
Источники: