Das seltsamste Trampolin der Welt springt nicht – es schwingt von einer Seite zur anderen und gleitet sogar um Ecken. Aber niemand kann darauf springen, weil es weniger als einen Millimeter hoch ist.
Physiker entwickeln trampolinähnliches Gerät im Nanomaßstab, das als bahnbrechender Phononenwellenleiter dient
Stellen Sie sich ein so kleines Trampolin vor, nur 0,2 Millimeter breit, mit einer Oberfläche, die dünner ist als alles, was Sie jemals gesehen haben, und einer Dicke von nur etwa 20 Millionstel Millimetern. Es ist mit gleichmäßig verteilten, abgerundeten, dreieckigen Löchern gefüllt, was ihm ein einzigartiges perforiertes Design verleiht. Trotz seines filigranen Aussehens ist dieses Trampolin kaum aufzuhalten. Sobald es sich in Bewegung setzt, verliert es nahezu keinen Schwung und kann lange schwingen.
Aber es hüpft nicht einfach auf und ab wie ein normales Trampolin. Verschiedene Bereiche seiner Oberfläche bewegen sich in unterschiedliche Richtungen, auch seitwärts. In der Mitte gibt es sogar ein „Trampolin im Trampolin“, einen kleineren Bereich, in dem die Action noch hektischer ist. Hier folgt die Bewegung einer präzisen dreieckigen Bahn, sodass die Vibrationen Ecken perfekt abrunden können – eine Seltenheit in der Physik.
Was bringt es also, ein Trampolin zu entwerfen, wenn niemand darauf springen kann? Natürlich wurde diese Struktur nicht für Menschen entworfen. Die Menschen hinter dem Trampolin – Physiker der Universität Konstanz, der Universität Kopenhagen und der ETH Zürich – wollen damit neue Methoden des Phononentransports demonstrieren.
Das „Trampolin“ ist eigentlich ein Wellenleiter für Phononen: ein vibrierender ultradünner Film aus Siliziumnitrid. Phononen können als „Schallquanten“ bezeichnet werden, die angeregten Grundzustände, auf denen die Gitterschwingungen fester Kristalle basieren. Mithilfe von Trampolinen wollen Physiker zeigen, wie Phononen durch einzigartige Oberflächenstrukturen, die auf mathematisch-topologischen Prinzipien basieren, mit geringem Impulsverlust „um die Ecke“ geführt werden können. Dies ist wichtig bei Schaltkreisen wie Mikrochip-Schaltkreisen, bei denen Signale um Kanten und Kurven herum geleitet werden müssen.
Die Ergebnisse sind beeindruckend: Auf Trampolinen können sich die Phononen nahezu ohne Impulsverlust sogar um scharfe 120-Grad-Kurven bewegen. Die Anzahl der Phononen, die „abprallen“, anstatt sich zu krümmen, beträgt weniger als eines von 10.000. „Dieser extrem geringe Verlust ist vergleichbar mit heutigen Telekommunikationsgeräten“, sagt der Konstanzer Physiker Oded Zilberberg.
Zilberberg interessiert sich für die Untersuchung dieser Art topologischer Effekte in Oberflächenstrukturen und deren Anwendungen. Er glaubt, dass es mit diesem Ansatz möglich sein könnte, vollständige „Straßen“ für Phononen zu konstruieren. Zilberberg hat die genaue Struktur des Trampolins entworfen. Seine Kollegen von der Universität Kopenhagen und der ETH Zürich setzten die Idee dann in die Tat um. Die Ergebnisse des Forschungsteams wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
Aber ist es möglich, ein Trampolin zu bauen, auf dem Menschen springen können? „Ich habe tatsächlich darüber nachgedacht“, sagte Zilberberg lachend. „Es wäre sicherlich ein interessantes Experiment. Ich kann mir vorstellen, dass das Prinzip auch auf größere Objekte anwendbar wäre.“ Dennoch sollte niemand ohne Helm ein „lebensgroßes“ Trampolin ausprobieren.
Zusammengestellt von /scitechdaily