Wanorde zorgt voor stilte: geluidsfractals na 25 jaar voor het eerst gemaakt
Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF hebben samen met Canadese en Franse onderzoekers voor het eerst een 'akoestisch fractaal' gecreëerd. Een akoestisch fractaal is voor te stellen alsof je tijdens een borrel door de mensenmassa beweegt en, in plaats van het gebruikelijke diffuse achtergrondrumoer van verscheidene gesprekken, op de ene plaats perfecte stilte waarneemt en op de andere plaats een oorverdovend lawaai hoort. Dit verschijnsel werd vijfentwintig jaar geleden al voorspeld, maar nog niet eerder daadwerkelijk gecreëerd. Met deze eerste resultaten kunnen andere onderzoekers theorieën gebaseerd op dit fenomeen die de afgelopen decennia zijn ontwikkeld eindelijk toetsen en daarnaast op zoek naar nieuwe manieren om geluid te controleren, bijvoorbeeld voor het maken van geluiddichte kamers of gevoelige detectoren. De onderzoekers publiceerden hun resultaten online op 9 oktober in het prestigieuze tijdschrift Physical Review Letters.
De onderzoekers laten zien dat deze akoestische fractalen, die volledig uit geluidsgolven bestaan, spontaan kunnen optreden in materialen zonder enige structuur, namelijk wanordelijk gestapelde bolletjes. Het effect wordt veroorzaakt door Anderson lokalisatie, een fenomeen dat vijftig jaar geleden is voorspeld door de Amerikaanse Nobelprijswinnaar Philip Anderson. Anderson lokalisatie heeft zich ontwikkeld van een 'ongrijpbaar monster', zoals ontdekker Anderson het beschreef in zijn Nobelprijslezing, tot een subgebied binnen de vaste-stoffysica. Enkele decennia later ontstond de theorie voor de akoestische fractalen, maar dat verschijnsel bleef voor experimentatoren lang ongrijpbaar.
Wanorde nodig
De onderzoekers bestudeerden de voortplanting van bepaalde geluidsgolven in een wanorderlijk netwerk van aluminium bolletjes. Bij een bepaalde hoge frequentie verandert het normale diffuse gedrag van geluid in heftig fluctuerende golfpatronen. Dit markeert het begin van het Anderson lokalisatie overgangspunt en de spontane formatie van fractalen, in dit geval multifractalen. Ver voorbij het overgangspunt, wordt de voortplanting van geluid een volledige halt toegeroepen, zoals eerder door Anderson zelf voorspeld.
Toepassingen van de Anderson lokalisatie overgang kunnen gevonden worden in de elektrische geleiding van metalen, het transport van licht en geluid door veelvuldig verstrooiende media, het quantum-hall effect, hoge temperatuursupergeleiding en de geleiding van grafeen. Multifractaal gedrag reikt nog veel verder dan Anderson lokalisatie. Multifractale eigenschappen kunnen terug gevonden worden in vele complexe systemen, zoals turbulentie, aardbevingen en regenpatronen, al deze fenomenen worden gekarakteriseerd door heftig fluctuerende patronen die zichzelf herhalen op verschillende schalen. De ontdekking van multifractalen in golven geeft onderzoekers dieper inzicht in dit universele gedrag.
Referentie
Het eerste artikel waarin de onderzoekers lokalisatie rapporteerden is te vinden via: http://www.nature.com/nphys/journal/v4/n12/abs/nphys1101.html
'Localization of ultrasound in a three-dimensional elastic network' Nature Physics 4, 945 - 948 (2008)
Observation of Multifractality in Anderson Localization of Ultrasound
Phys. Rev. Lett. 103, 155703 (2009)
http://link.aps.org/abstract/PRL/v103/e155703
Contact
Sanli Faez, telefoon (020) 608 12 34,
Melissa van der Sande, (020) 754 74 08.