Natuurkundigen bouwen microscopische ’trampoline’ om de geluidsgolfcontrole in microchips te verbeteren

De wildste trampoline ter wereld zwaait zijwaarts en ‘rond hoeken’. Toch kan niemand erop springen, omdat het niet eens een millimeter lang is. Natuurkundigen van de Universiteit van Konstanz, de Universiteit van Kopenhagen en ETH hebben het ontworpen en geconstrueerd. Waarom? Het doel is om verbeterde methoden van fonontransport aan te tonen – bijvoorbeeld voor gebruik in microchips, waar fononen worden gericht door strakke bochten. Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek Natuur.

Stel je een trampoline voor die 0,2 millimeter breed is met een oppervlak dat nauwelijks 20 miljoenste van een millimeter dik en vol gaten is. Het gehele oppervlak bevat een patroon van regelmatig terugkerende afgeronde driehoekige gaten. Toch is deze trampoline vrijwel niet te stoppen en verliest bijna geen momentum. Eenmaal in gang gezet, zou het bijna voor altijd op slingeren.

De trampoline is niet alleen beperkt tot slingeren op en neer. In verschillende gebieden van het geperforeerde oppervlak zwaait de trampoline tegelijkertijd in verschillende richtingen, zelfs zijwaarts. In het midden is er zelfs een soort “trampoline in de trampoline.” En, wildste van allemaal, hier is waar oscillaties “om de hoek” bewegen, in een perfect driehoekig patroon.

Dus waarom zou u deze trampoline ontwerpen als niemand erop kan springen? Natuurlijk was deze constructie niet ontworpen voor mensen om te gebruiken. De hersenen achter de trampoline – fysici van de Universiteit van Konstanz, de Universiteit van Kopenhagen en ETH Zürich – zouden het gebruiken om nieuwe methoden van fonontransport aan te tonen.

De “trampoline” is eigenlijk een golfgeleider voor phonons: een vibrerend, ultradun membraan gemaakt van siliciumnitride. Fonons zijn, om het te zeggen, “geluidskwanta”, dwz de elementaire excitaties waarop trillingen van het kristalrooster van een vaste stof zijn gebaseerd.

Met behulp van de trampoline willen de fysici aantonen hoe fononen “rond hoeken” kunnen worden gericht door middel van een unieke oppervlaktestructuur (gebaseerd op wiskundige topologieprincipes) met praktisch geen verlies van momentum. Dit is bijvoorbeeld belangrijk in microchipcircuits waar signalen rond randen en bochten moeten worden gericht.

De resultaten zijn indrukwekkend: met behulp van de trampoline kunnen fononen zelfs worden gericht rond strakke, 120 graden krommen met vrijwel geen verlies van momentum. De hoeveelheid fononen die “terug stuiteren” in plaats van rond de curve te gaan, is minder dan één per tienduizend. “Dit ultra-lage verlies is op gelijke voet met hedendaagse telecommunicatieapparaten,” zegt Konstanz-fysicus Oded Zilberberg.

Zilberberg is geïnteresseerd in het bestuderen van precies dit soort topologische effecten in oppervlaktestructuren en hoe deze in toepassingen kunnen worden gebruikt. Hij denkt dat het met deze methode mogelijk zou kunnen zijn om hele wegen voor fonons te bouwen. Zilberberg creëerde het specifieke ontwerp van de trampoline. Zijn collega’s van de Universiteit van Kopenhagen en Eth Zürich brachten het idee vervolgens in actie.

Maar zou het mogelijk zijn om de trampoline te bouwen voor mensen om op te springen? “Daar heb ik eigenlijk over nagedacht”, lacht Zilberberg. “Het zou absoluut een leuk experiment zijn. Ik neem aan dat het principe ook zou werken met een op grotere schaal object.” Niemand mag echter de “menselijke” versie van de trampoline proberen zonder een helm te dragen.