Gli scienziati ottici lo chiamano cristallo fotonico. Per un gatto si tratta di bastoncini paralleli periodici:contengono bande proibite fotoniche che vengono utilizzate per modificare il flusso di luce, simili alle bande proibite degli elettroni nei semiconduttori, che sono regioni energetiche in cui non esistono stati energetici degli elettroni. Questi materiali presentano cambiamenti nel loro indice di rifrazione e quindi modificano e reindirizzano la propagazione della luce.

Un altro esempio sono gli indicatori riflettenti sul marciapiede delle autostrade che brillano di notte dai fari delle auto. I cristalli fotonici, come questi ultimi, sono fabbricati tramite strati di pellicole sottili utilizzando fotolitografia, perforazione, scrittura laser e altre tecniche.

I cristalli fotonici impediscono la luce di determinate frequenze nelle parti del mezzo cristallino attraverso cui viaggia la luce. Come definito dalla scienza, tali cristalli hanno regioni periodiche distinte, ciascuna con una costante dielettrica periodica.

Un dielettrico è un materiale elettricamente isolante, senza elettroni o atomi liberi, che si oppone al flusso di elettroni quando viene applicato un campo elettrico. Invece, un materiale dielettrico si polarizza quando viene applicato un campo elettrico, con le sue molecole rivolte tutte nella stessa direzione. L'acqua distillata (acqua purificata che non contiene minerali) è un materiale dielettrico, così come il vetro, la porcellana, l'aria secca, la carta e molti altri materiali. I dielettrici vengono utilizzati nei condensatori, negli schermi a cristalli liquidi e in altri dispositivi.

Estendendo questo concetto, i "cristalli fotonici funzionali" sono materiali che hanno un cambiamento graduale e continuo nell'indice di rifrazione, invece di una periodicità netta e distinta. Ciò consente un rapido controllo elettronico delle proprietà di un materiale.

Gli stessi concetti esistono per i cristalli fononici. I fononi sono onde sonore quantizzate, proprio come i fotoni sono onde luminose quantizzate. Un cristallo fononico è un solido con continui cambiamenti nelle sue proprietà, creando una banda proibita per le energie fotoniche. Strutture artificiali con una variazione periodica dei parametri elastici possono manipolare la propagazione delle onde elastiche.

Ora un team guidato da David Röhlig della Technische Universität Chemnitz in Germania propone di creare cristalli fononici funzionali, con cambiamenti regolari e continui nelle proprietà elastiche invece di rigide variazioni periodiche. La ricerca è pubblicata sulla rivista Europhysics Letters .

L'indice di rifrazione del suono cambierebbe continuamente all'interno del mezzo di propagazione, invece di discontinuità della funzione a gradino. In natura tali sostanze sono responsabili della propagazione delle onde sonore a onda lunga nell'acqua e della curvatura delle onde sonore nella bassa atmosfera.

Utilizzando simulazioni al computer ad alte prestazioni, il team si è concentrato sulla comprensione dell'effetto di una piccola deviazione nelle proprietà del materiale dalla tipica discontinuità della funzione a gradino sulla densità fononica degli stati energetici.

I loro risultati sono stati sorprendenti:anche piccole deviazioni dalla funzione a gradino ideale di un materiale potrebbero causare cambiamenti ampi e radicali nella struttura delle bande fononiche. Ciò porterebbe all'emergere di molte caratteristiche ricercate, come gap di banda fononici più ampi e gap di banda fononici multipli.

Poiché la densità fononica degli stati può cambiare così rapidamente anche solo per piccoli cambiamenti nelle proprietà dei materiali, tali proprietà si rivelerebbero utili per realizzare, ad esempio, lenti fononiche in materiali solidi o acqua, o per nuovi dispositivi nella scienza dei materiali, fisica applicata e ingegneria. .

"I nostri risultati presentano una nuova prospettiva sulle strutture fononiche", ha affermato Röhlig, "offrendo una strada aggiuntiva per indurre la formazione di bandgap in geometrie specifiche che mancano di questa caratteristica". Notando che la rapida convergenza della densità degli stati man mano che i parametri della funzione a gradino cambiano per essere più continua, Röhlig osserva che i rapidi cambiamenti semplificherebbero i potenziali approcci di produzione.

"Se ulteriori studi riusciranno a convalidare sperimentalmente le nostre previsioni, i nostri risultati potrebbero trovare applicazioni nella microtecnologia e nella meccatronica per la progettazione di trasduttori e attuatori acusto-meccanici", ha affermato.

Potrebbero essere modellati anche ambienti su larga scala, "come la disposizione di alberi o altre unità edilizie in legno, [oggetti] che hanno un profilo di parametri radialmente continui noto o appositamente progettato riguardo alla densità e alle proprietà elastiche, per migliorare l'isolamento acustico ambientale."