Фононные кристаллы

Состав композитного материала может быть очень разнообразным. Их структура, обычно, периодическая или стохастическая со специальными свойствами. Фононные кристаллы также являются композитными материалам. Они схожи с фотонными кристаллами и состоят из периодических включений в матрицу или слои. Концепция фононных кристаллов появилась в 1990-х годах, являясь во-многом продолжением работ по фотонным кристаллам. Фононные кристаллы обладают различными частотными характеристиками, например, такими, как возможность возникновения запрещённых частотных зон. В запрещённой зоне, распространение волн фактически невозможно. Это явление может быть использованным в широком спектре технологий и в различных масштабах. Приложения включают в себя упругую или акустическую фокусировку, минимизацию вибрации, звуковую коллимацию, акустическую маскировку, оптомеханические волновые преобразования в фотонных устройствах, снижение теплопроводности в полупроводниках и др.

Одномерный фононный кристалл

Двумерный фононный кристалл

Помимо очевидного разделения по количеству измерений, в которых свойства меняются периодически, фононные кристаллы условно могут быть разделены на три категории: акустические фононные кристаллы с матрицей из жидкости, упругие фононные кристаллы с матрицей сплошного упругого вещества и пьезоэлектрические/магнитные фононные кристаллы. В последнее время исследования фононных кристаллов имеют новую тенденцию, а именно, вместо традиционных фононных кристаллов, которые обычно состоят из двух или более изотропных материалов, создаются пьезоэлектрические фононные кристаллы. Наиболее очевидным различием между пьезоэлектрическим и изотропным материалами является анизотропная природа и характер связи. Такие свойства среды приводят к тому, что расчёт свойств среды становится более сложными, чем в случае фононных кристаллов из упругих материалов. Эти композитные материалы обладают особыми свойствами, например, магнитоэлектрический эффект сцепления, который не демонстрируется их отдельными компонентами. Фононные кристаллы могут обладать запрещёнными зонами – частотами, на которых распространение упругих волн через структуру невозможно. Существование запрещённых зон у фононных кристаллов делает возможным многочисленные потенциальные применения. Например, фононные кристаллы могут быть использованы как эффективные звуковые изоляторы, полезные для акустической изоляции вибрирующих структур, гироскопы или механические резонаторы, устройств жёсткого сцепления.