Schallwellen im Brennpunkt - wissenschaft.de
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Schallwellen im Brennpunkt

Eine Forschergruppe der Universität von Manitoba in Kanada hat herausgefunden, dass eine besondere Art von Kristall Schallwellen einer genau bestimmten Frequenz fokussieren kann. Der Kristall, der aus etwa einen Millimeter großen Kugeln hergestellt wird, könnte somit als eine Linse für Schallwellen bei Untersuchungen in der Medizin oder von Werkstoffen benutzt werden. Darüber berichten die kanadischen Forscher im Fachmagazin Physical Review Letters (Band 93 Artikel 024301).

Der von den Physikern um John Page entwickelte Kristall stellt gewissermaßen die akustische Analogie der wohlbekannten photonischen Kristalle dar. Während photonische Kristalle elektromagnetische Strahlung eines genau bestimmten Frequenzbereichs nicht passieren lassen, bewerkstelligen akustische oder phononische Kristalle dies für Schallwellen.

Derartige Kristalle wurden innerhalb der vergangenen Jahre von verschiedenen Forschergruppen in aller Welt entwickelt, doch das kanadische Team hat nun bei der genaueren Untersuchung eines Kristalls aus 0,8 Millimeter kleinen Wolframkarbid-Kugeln eine überraschende Entdeckung gemacht: In einem bestimmten Frequenzbereich oberhalb der so genannten Bandlücke ? des Bereichs, in dem Schallwellen blockiert werden ? kann der Kristall Wellen, die sich durch ihn ausbreiten, auf einen Brennpunkt fokussieren.

In dem in der Fachzeitschrift veröffentlichten Experiment war dies für Ultraschallwellen einer Frequenz von 1,57 Megahertz der Fall. Page glaubt, dass derartige Kristalle in Zukunft die Auflösung von medizinischen Ultraschallaufnahmen so verbessern können, dass sie unterhalb eines Millimeters liegen. Auf diese Weise könnten dann selbst winzige Haarrisse in einem Gewebe sichtbar gemacht werden.

Das Geheimnis des Kristalls besteht darin, dass er für einen kleinen Frequenzbereich oberhalb der Bandlücke einen negativen Brechungsindex besitzt. Derartige Materialien weisen eine Reihe überraschender Eigenschaften auf ? so zeigen sie etwa einen umgekehrten Dopplereffekt oder können Wellen selbst ohne gekrümmte Oberflächen fokussieren. Diese verblüffenden Effekte wurden in den vergangenen Jahren zumeist mit speziellen photonischen Kristallen ? so genannten Metamaterialien ? für Lichtwellen demonstriert.

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Stefan Maier
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