Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schallisolierung mithilfe von Quantenphysik

03.07.2015

Dass der Weg von der abstrakten Theorie zur handfesten Anwendung nicht immer weit sein muss, zeigten Sebastian Huber und Kollegen. Ihre mechanische Umsetzung eines quantenmechanischen Phänomens könnte schon bald in der Schallisolierung zum Einsatz kommen.

Doughnuts, Strom und Quantenphysik – was für Laien wie eine absurde Aneinanderreihung von Begriffen aussieht, ist für Sebastian Huber eine Art Beschreibung seines Arbeitsgebiets. ETH-Professor Huber beschäftigt sich als theoretischer Physiker seit Jahren mit so genannten topologischen Isolatoren, also mit Materialien, deren Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten, einen topologischen Ursprung hat.


Mechanisches Modell aus 270 Pendeln, die über Federn miteinander verbunden sind. Die Pendel verhalten sich in diesem Modell wie ein topologischer Isolator.

Heidi Hostettler / ETH Zürich

Was dabei «topologisch» bedeutet, kann man sich am einfachsten anhand eines Doughnuts vorstellen, der durch Ziehen, Dehnen und Verformen in eine Kaffeetasse verwandelt werden kann – ohne dass man ihn zerschneiden muss. Doughnut und Kaffeetasse sind in diesem Sinne topologisch gesehen identisch, und wendet man dasselbe Prinzip auf die quantenmechanischen Wellenfunktionen von Elektronen in einem Festkörper an, so kommt man auf das Phänomen des topologischen Isolators.

Das ist Quantenphysik für Fortgeschrittene, hoch kompliziert und weit von der Alltagswelt entfernt. Dennoch ist es Professor Huber und seinen Mitarbeitern jetzt gelungen, diese abstrakten Ideen sehr konkret zu machen und, sozusagen auf dem kurzen Dienstweg, mit Kollegen aus verschiedenen Fachbereichen quer durch die ETH bis hin zu möglichen Anwendungen im Ingenieursbereich zu kommen.

Von den Quanten zur Mechanik

Am Anfang stand dabei für Huber eine simple Frage: Kann man das Prinzip eines topologischen Isolators auf mechanische Systeme übertragen? Eigentlich sind die Quantenphysik und die Mechanik zwei verschiedene Welten. In der Quantenwelt können Teilchen durch Barrieren «tunneln» und sich gegenseitig als Wellen auslöschen oder verstärken, wogegen es die alltägliche Mechanik eher mit fallenden Körpern oder der Statik von Brücken zu tun hat.

Huber und seine Kollegen erkannten allerdings, dass man die mathematischen Formeln, welche die Quanteneigenschaften eines topologischen Isolators beschreiben, so umformen kann, dass sie aussehen wie die eines wohlbekannten mechanischen Systems – nämlich einer Reihe von schwingenden Pendeln.

Insbesondere sagten die mechanischen Formeln genau wie ihr quantenmechanisches Pendant sogenannte Randzustände voraus. Bei diesen Anregungszuständen fliesst entlang der Ränder des Materials elektrischer Strom (beziehungsweise eine mechanische Schwingung), wogegen das Innere des Systems vollkommen unbeteiligt bleibt. «Theoretisch war das ein schönes Ergebnis», sagt Huber, «doch am ehesten kann man die Leute natürlich überzeugen, wenn man das praktisch umsetzt».

Gesagt, getan. Gemeinsam mit ETH-Technikern bauten Huber und sein Student ein mechanisches Modell aus 270 in einem rechteckigen Gitter angeordneten Pendeln, die über kleine Federn miteinander verbunden sind. Zwei der Pendel können dabei mechanisch angeregt, also mit einer bestimmten Frequenz und Stärke hin und her geschüttelt werden.

Durch die Federkopplungen werden nach und nach auch die anderen Pendel in Schwingung versetzt. Bei einer bestimmten Anregungsfrequenz sahen die Physiker schliesslich, was sie sich erhofft hatten: Die Pendel innerhalb des Rechtecks standen still, wogegen diejenigen am Rand rhythmisch schwangen und so eine Art «Welle» um das Rechteck herum floss. Die gekoppelten Pendel verhielten sich also tatsächlich wie ein topologischer Isolator.

Roboterarme und Schall-Linsen

Schon bald könnte sich das, was für ETH-Professor Huber zunächst ein Hirngespinst und dann eine nette Spielerei war, als nützliches Werkzeug erweisen. Die mechanischen Randzustände der gekoppelten Pendel sind nämlich sehr robust – «topologisch geschützt», wie es in der Fachsprache heisst – und bleiben auch dann bestehen, wenn man Unordnung in die Reihe der Pendel bringt oder sogar einen Teil des Rechtecks einfach entfernt.

Solche Eigenschaften wären beispielsweise für die Schall- und Vibrationsisolierung interessant, etwa in der industriellen Produktion, wo Roboterarme exakt und zitterfrei Bauteile platzieren müssen. Zudem sind Materialien denkbar, die Schall nur in eine Richtung transportieren oder wie eine optische Linse bündeln.

«Solche Anwendungen sind eine grosse Herausforderung, aber durchaus realistisch», meint Chiara Daraio, ETH-Professorin für Mechanik und Materialien. Dazu freilich müssen die mechanischen Systeme zunächst einmal kompakter werden – Hubers Pendel sind immerhin einen halben Meter lang und wiegen je ein halbes Kilo. Die Ingenieure sind bereits dabei, ein Gerät zu bauen, das ohne die vielen Pendel auskommt und zudem nur wenige Zentimeter misst.


Literaturhinweis

Süsstrunk R, Huber SD: Observation of phononic helical edge states in a
mechanical topological insulator. Science 2015, 349: 47-50, doi: 10.1126/science.aab0239 [http://dx.doi.org/10.1126/science.aab0239]

News und Medienstelle | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.ethz.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie