フォノニクスは、音と熱の流れを制御する新しい可能性を開く
超音波，極超音波，熱振動を制御媒体を扱うのがフォノニクスで，フォトニクスのアナロジーです。弾性率異なる素材の交互積層の超格子（周期構造はバンドギャップを生む）や，ナノチューブが使えるようです。超音波を集束，超音波ダイオード，超音波整流器，光学的な不可視マントのような超音波の不可視マント，コヒーレントな熱波を作ったり熱流ダイオードなどが可能なようです。これらは医学や精密機械に有用ですが，軍事利用と結びつきそうな技術でもあります。
フォノニクスとは、さまざまな構造体で、音、超音波、熱振動の精密制御を扱う物理の一分野です。音響とは異なり、ここでは媒体自体が積極的な役割を果たし、振動が伝播します。近年の多くの成果のおかげで、実験物理学のツールキットに変わったデバイスが登場し、物理学者の要望に応じて媒体に弾性振動を導くことができます。物理学のこの分野に捧げられたレビューがNature誌に掲載されました。この出版物を引用し、この分野の現状を概説します。（Igor Ivanov より）
Source: Martin Maldovan. Sound and heat revolutions in phononics // Nature . November 14, 2013. V. 503. P. 209.
See also:
1) Ultrasound. Little Encyclopedia // M., "Soviet Encyclopedia", 1979.
2) T. Gorishnyy, M. Maldovan, C. Ullal, and E. Thomas. Sound ideas // Physics World (December 2005).
3) N. Li, J. Ren, L. Wang, G. Zhang, P. Hanggi, B. Li. Phononics: Manipulating heat flow with electronic analogs and beyond // Rev. Mod. Phys. 2012. V. 84. P. 1045–1066; the article is also available as an e-print arXiv:1108.6120 .
弾性波のスペクトルとフォノン制御の問題
物理学の観点では、音は振動プロセスであり、他の振動と同様に、その周波数によって特徴づけられます。 図は、音波の周波数スペクトルを示します。 電磁振動のスペクトルとの類推により、いくつかの周波数範囲を区別することができます。これらは、人によって異なる方法で認識されるか、物質の異なるプロセスを伴います。 それらを分離する周波数の境界値は厳密ではなく、おおよそのもので、異なるタイプの現象間の典型的な遷移を特徴づけるものです。
Infrasound超低周波音域
約 15 Hz 未満の周波数。人が音として知覚しない音の振動の領域。
Sound可聴音域
15 Hz から約 20 kHz までの人間の耳に聞こえる周波数範囲。 空気中の波長は 20 メートルから 1.5 センチメートルです。
Ultrasound超音波音域
20 kHz から最大約 100 MHz の周波数で、人間の耳には聞こえない音の振動。 水中の波長は、10cmから数十ミクロンまで。 超音波は、波長が短く（したがって高解像度）、放射と受信の技術的な単純さにより、膨大な数の診断および研究技術の基礎となっています。 1970 年代後半のこの領域の優れた解説は、超音波の巻で見つけることができます。 1979 年発行の小百科事典は、希少本です。
Hypersound極超音波音域
周波数が 100 メガヘルツから数百ギガヘルツ、波長がミクロンおよびサブミクロン範囲の超音波。 このような波の特徴は、強い減衰のために巨視的な距離にわたって媒質内を伝搬できないことです。 同じ理由で、それらは通常の超音波よりも実験的に研究するのがはるかに困難です. ただし、それらを受信する努力は、サブミクロン スケールおよびナノ秒スケールで材料の特性を「調べる」ことができるため正当なことです。 例えば、The mystery of fast sound in water has been resolved, Elements, 12/13/2006 というニュースを参照してください。
また、ロシア語では«гиперзвук»「極超音速」という言葉がしばしば別の意味で使用されます。これは、空気中の音速の 5 倍以上の速度 (極超音速) で移動する航空機に使います。 この言葉のこれら2つの意味は、互いに何の関係もありません。
テラヘルツ以上の周波数を持つ弾性振動は、音波ではなく熱振動に起因するはずです。 波長は原子間距離に近づき、物質の離散性がこのサイズの上限を制限します。 ガス中の音波の場合、周波数限界ははるかに早く発生します。周波数と最大音の課題を参照してください。
音波は量子化されます。特定の周波数の波は、特定のサイズの物体で励起され、特定の最小値よりも弱くなることはありません。 このような音の量子は、光子との類推により、フォノンと呼ばれます。 ほとんどの状況では、この量子化とそれに関連する量子法則は重要ではありません。 それらは、マイクロ波領域、つまり熱フォノン、または特定の状況、たとえば、結晶の熱容量の計算や、コヒーレントフォノンの強力なソースである音響レーザーの説明のいずれかで重要であることがわかるでしょう。 ただし、個々のフォノンが弱すぎて聞こえない場合でも、通常の音波をフォノンの流れとして表すと便利なことがよくあります。
物理学の最も古い分野の 1 つである音響学は、伝播の法則と音波の特性を扱います。 ただし、音響学の「古典的な」技術の応用では、弾性波が伝播する媒体は受動的役割なので、媒体自体は研究対象か、単に波源から目的の対象物に波を伝導するものになります。 通常、音波を制御することは困難です。 もちろん、波は2つの媒体間の界面で反射することができ、異なる周波数の音は異なる方法で壁に吸収される可能性があります。しかし、これらの方法は、フォノン流束、さらには熱流束の精密制御には粗すぎます。
フォノニクスは、複雑な周期構造を持つ媒体の弾性振動伝播を研究する物理学の分野で、活発に開発されています。 この分野の名称は、エレクトロニクスやフォトニクスと共通点があります。これは、光の流れを正確に、時には「光子ごと」に制御する科学です。 アナロジーはそれだけではありません。 フォノニクスでは、これら2つの分野から借用された、いくつかの技術的装置と理論的記述方法が使用されています。 このニュースは、Nature 誌に最近掲載された総説「フォノニクスにおける音と熱の革命」に従い、近年活発に議論されたり実装されたいくつかの例を説明するに止めます。
フォノニック結晶と音響メタマテリアル
具体的な例の説明に進む前に、マテリアル（媒体）が音波の流れを制御するのに積極的な役割を果たすことができる2つの一般的な方法の説明をする必要があります。 主なアイデアは、周期的に変化する機械的特性を持つ素材に音を通すことです。 この規則性は厳密に周期的か、変調を伴う周期的で、交替周期が小さいことです。 音の波長と同程度であればフォノニック結晶が得られ、それよりはるかに小さい場合、その構造は音響メタマテリアルと呼ばれます。
フォノニック結晶は、交替周期が波長程度の1次元、2次元、または3次元の周期構造です（図3）。 最も単純なオプションは、異なる弾性特性を持つ 2 つの材料を周期的に積むことです。 層間の境界面はシャープなので、音波はそれらからよく反射されます。 ただし、そのような界面が多数あるため、すべての境界からの反射と複数の再反射が干渉し、それらは互いに重ね合わされ、そのような周期構造を通る音波の伝播に根本的な影響を与えます。
均質な材料では、分散の法則はほぼ線形で、波長は振動周期にほぼ比例します。 比例係数（波速）は、さまざまな波長に対して実質的に一定です。 フォノニック結晶では、この依存性に大きな非線形が現れ、音波の速度が波長に大きく依存します (図 4)。 さらに、周波数の「バンドギャップ」がフォノンスペクトルに現れます。 この帯域に入る周波数の音波を結晶に発射しようとすると、結晶に侵入することはできません。部分的に反射され、いくつかの波長の深さで部分的に減衰されます。 したがって、結晶は音の伝播の法則を変えるだけでなく、特定の周波数範囲で音の消音をします。 これらの特性により、フォノニック結晶は、伝導電子の許容帯域と禁止帯域を備えた通常の結晶、およびフォトニック結晶 (特定の周波数範囲の光を遮断する透明層の周期構造) と非常によく似ています。
音響メタマテリアルも異なる弾性特性を持つ材料の周期構造ですが、ここでの交互周期が波長よりもはるかに小さいです。 このため、音波はもはや個々の界面を感じないかのように伝播しますが、代わりに、調整可能な異常な弾性特性を備えたある種の均質な「メタ媒体」になります。 波はもはや反射はしませんが、曲がったり、それたり、単に奇妙な分散法則を持ったりする可能性があります.
フォノニクス: デバイスの例
周期構造の作製
上記の周期構造のスケールは、それらが動作しなければならない周波数範囲に依存します。 優れた性能を発揮するには、少なくとも数十のセル周期が含まれている必要があります。 フォノニック結晶の場合、これは数十波長として再計算され、メタマテリアルの場合、これはわずか数波長の厚さの薄板になる可能性があります。
通常の音波の場合、フォノニック結晶の最も初期の最も美しい例の 1 つは、マドリッドに設置された Eusebio Sempere による彫刻でした (カバー写真．図 1)。 1990 年代初頭、物理学者がフォノニック結晶について話し始めたとき、スペインの研究者は、この彫刻構成物にもそのような特性がある可能性があると推測しました。 実際、測定では、周波数 1670 Hz の音がこの設計によって強く吸収されることが示されています。バンド ギャップを観察してみませんか?
90 年代半ば、物理学者はこのような結晶を意図的に作成して研究し始め、要素のサイズは縮小され、超音波領域にたちまち移行しました。 図５は、1.36ミクロンの格子ピッチおよび１GHz近く、すなわち極超音速範囲のバンドギャップを有する、2004年に作製された2次元6方晶結晶を示す。 ちなみに、このような均一な構造は、ナノホールの平凡なドリルではなく、光の干渉によって表面に周期構造が設定され、それがフォトレジスト材料に刻印される干渉リソグラフィの技術を使用して得られます。
３次元フォノニック結晶の場合は製造技術が異なります。 元の固体材料の空洞を切り取る代わりに、単純に同一のマイクロバルーンを分散させて、それらを密接な周期構造に配置することができます。 2006 年に、このトリックは、直径が数ミクロンのナノ粒子に対して行われ、極超音速範囲に到達することも可能になりました。 球状ナノ粒子の製造と選別は特に難しくないため、位置とバンドギャップを調整できる 3 次元フォノニック結晶を作成することができます。
音響ダイオード
3 年前、フォノニック結晶に基づいて、音響ダイオード (音波を一方向にのみ伝達するデバイス) を製造することが可能になりました。 この方法の一般的な考え方を図６に示します。このダイオードは、非線形音響媒体とフォノニック結晶の 2 つの半分で構成され、結晶のバンド ギャップに収まる音の周波数で適用されます。 この音波が最初に非線形媒体に入ると、非線形性のために、部分的に 2 倍の周波数 (つまり、1 オクターブ高い) の波になります。 さらに、この波の組み合わせはフォノニック結晶に入ります。 元の波はそこで吸収され、周波数の 2 倍の波が静かに前方に通過します。 ただし、最初の音波が反対側から発射された場合、最初にフォノニック結晶にぶつかり、単に反射されます。 この場合、ダイオードのもう一方の端には何も起こりません。
この作品のフォノニック結晶の層の厚さは 1 mm で、メガヘルツの超音波範囲で機能しました。 これは、超音波診断や治療効果などの医療用途を含む、超音波の多くの用途の動作周波数範囲です。 このようなダイオードのマトリックスの助けを借りて、片側の「サウンドミラー」を作成して、必要な体積に音波を集束させたり（たとえば、超音波への治療的曝露の強化のため）、非常に効果的な「サウンドスクリーン音遮蔽」を作成して、 被験者からの弱い反応を「聞こう」とするときの音の干渉を排除したりします。 。
そのようなダイオードで音の周波数を2倍にする必要があることが誰かにとって不便に思われる場合は、音波の周波数が変わらない他のオプションがあります。 そのうちの1つは、一方の端から音波に対して滑らかで、もう一方の端から粗い2次元フォノニック結晶を使用しています。 滑らかな端からは所望の周波数の音波が反射し、粗い側からは通り抜けて横に逸れるだけです。
超音波範囲の音響ダイオードはすでに実証されており、小型で優れた特性を持ち、最終的に安価で製造が容易です。 現在、それらに基づいて、「超音波整流器」やその他のデバイスを設計し、現在使用されている超音波技術にそれらを導入し、具体的な実用的な結果を達成することができます。
音波からのシールド
フォノニクスの開発により利用可能になった別のデバイスは、一種の「不可視キャップ」であり、光学的な「不可視マント」の一種の音の類似物です。 したがって、特定の特別なシェルを呼び出すことができます。これは、エコーロケーション中に、「耳」を詮索することから身体を隠すだけでなく、その存在をまったく与えません。 潜水艦の優れた防音マスクとして機能します。 これにより、静寂が重要な状況で外部ノイズから最大限の遮音性を達成することが可能になります。
このデバイスの一般的な動作原理は、すべてのタイプの波でほぼ同じです (図 7、左)。 音響波面は、音響メタマテリアルのシェルで覆われたボディに入射します。 素材の特性は、音波を反射しないように選択されていますが、それらをスムーズに離し、隠れた体の周りを一周し、後ろに閉じて結果をフラットなサウンドフロントに戻します。 この前面に歪みがなければ、音波が検出されたときに、波が空の受動媒体を通過したのと同じ結果です。
このアイデアの技術的な実装はそれほど単純ではありませんが、すでにいくつかの成功例があります。 3 年前、図 7 右に示す円筒構造を使用して、52 ～ 64 kHz の周波数範囲 (近超音波) で音響的な不可視性が実現されました。 この構造のセルは複雑な水路網によって接続されており、構造自体が水中に沈んでいます。 送信された音波は、セルとチャネル内で微視的な流れを生成します。これは、中心体の周りに音波の前面を向ける水のこの強制的な動きです.
水や空気中の音波だけでなく、固体の表面に沿って流れる弾性波も概説できます。 これもごく最近実験的に実装されました。 注を参照してください いくつかの詳細については。 見えない！ . このような技術は、例えば、重要な施設を地震波から保護するのに非常に役立ちます。
光子とフォノンの相互作用
音響デバイスの小型化は、光と音の間の相互作用、または個々の量子に関して言えば、光子とフォノンの間の相互作用の新しい可能性を開きます。 もちろん、この相互作用は広く知られており（物理学の別の分野である音響光学さえあります）、さまざまなアプリケーションで長い間使用されてきました。 しかし、フォノニクスのおかげで、音響振動と光学振動を同時に保持するデバイスを製造できるようになりました（図8）。 弾性振動と光波との相互作用は容易に調整でき、例えば、弾性波の微視的電波診断に使用できます。 サイズが小さいため、このデバイスは電波検出器とともにチップ上に直接配置できます。これは、「チップ上のラボ」の一般的なアイデアの精神に沿ったエレガントな解であり、自然科学のさまざまな分野で徐々に発展しています。
熱管理
最後に、上記のすべての成果を熱振動の領域、つまりテラヘルツ以上の周波数に移すことは素晴らしいことです。 残念ながら、ここでいくつかの新しい問題が発生します。 まず、波長が数ナノメートル以下であるため、対応する構造をほぼ原子レベルの精度で製造する必要があります。 原理的には、このような多層構造 (超格子) を作成できますが、技術的には、これはとても手間のかかるプロセスです。 このスケールでより複雑な幾何構造を持つ周期構造を実装する方法と、それを実行できるかどうかは、重要な問題です。
第二に、熱フォノンは互いに強く相互作用し、欠陥によって散乱されます。 このため、音とは異なり、固体内の熱の伝播は、ある速度で前方に飛ぶ熱波ではなく、熱拡散、つまり熱のスムーズな減速「拡散」によって記述されます。 このような条件下で熱フォノンフラックスを制御するのは非常に困難です。
第三に、音波が 1 つの周波数で放出されても、熱フォノンは非常に広い周波数範囲で一度に固体内に存在します。 通常、音響デバイスは特定の周波数範囲に対してのみ最適化されるため、これは制御をさらに複雑にします。
これらすべてのため、熱振動の領域で上述のフォノンデバイスを使用する試みが依然として十分に満足できるものではないという事実につながる。 たとえば、サーマル ダイオード (熱を主に一方向に伝達するデバイス) は 2004 年に実証され、2006 年に実装されました。 ダイオードの特定の端がもう一方の端よりも高い場合、スペクトルは重なります。 一方の端での熱振動は、もう一方の端で熱振動にうまく変換され、熱伝達が発生します。 温度比が逆の場合、スペクトルが重ならず、熱振動が伝わりにくくなります。 技術的には、これは非対称ナノチューブを使用して行うことができ、その半分は特別なシェルで包まれています (図 9)。 ただし、そのようなデバイスは、まだわずかなゲイン特性で、 両方向の熱伝達は、最大で数パーセントの差です。
フォノニック結晶のようなものを作る試みもあります。ナノホールが周期的に並んだ格子を作り、そこに熱を通すことができます。 最近の研究では、この方法で熱伝達を 100 倍以上抑えることが可能であることが示されました。 ただし、ここでの物理的メカニズムは完全に異なります。熱フォノンは、熱を自由に分散させるには物質内に多すぎるこれらのナノホールで単純に散乱します。 これは、実際のフォノニック結晶の周波数バンド ギャップとはまったく似ておらず、フォノニクスの成果とは言えません。 上記の音の場合の類推によって熱シールドを実装しようとすると、同様の問題が発生します。 熱流制御における最新のフォノニクス技術のより詳細な議論は、別の最近のレビューで与えられています: N. Li et al., 2011. Phononics: Manipulating heat flow with electronic analogs and beyond.
基本的に、最近、「熱結晶」と呼ばれる新しいクラスのフォノニック デバイスが提案されました。 ここでのアイデアは単純です。ナノ粒子やその他の欠陥の助けを借りて、高周波の熱フォノンが強く散乱する（したがってゆっくりと拡散する）効果と、適度に低い周波数（たとえば、超音波との境界にある 100 ～ 300 GHz の領域で)結晶をすばやく通過します。 次に、結晶の出口には、狭い周波数範囲の熱フォノンの流れ、つまり一種のコヒーレントな熱波があります。 この場合、上記のデバイスの類似物をそれらに適用することができます。 効率的なサーマル ダイオードとサーマル シールドを実装して、ナノメートル スケールで信頼性の高い熱管理を実現することができます。 ただし、これまでのところ、これらは理論上の仮定にすぎません。 このアイデアが実験的に実現できるかどうかはまだ不明です。
この記事が気に入ったらサポートをしてみませんか？