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迪拉克錐現「聲」塑膠材料

西班牙物理學家聲稱製作出「聲學版」的神奇材料石墨烯(graphene),他們在塑膠板上鑽出排列成六角形的孔洞並在此塑膠表面傳遞聲波,從測量結果觀察到「迪拉克錐」(Dirac cone)。雖然「聲學版石墨烯」目前尚未有實際應用,但未來可望用來改良聲學系統或者用來對模擬石墨烯進行相關研究。

自從石墨烯於 2004 年問世後,此具蜂巢晶格的平面碳材料並不斷以其特殊的電子性質驚豔科學界。這是因為石墨烯是零能隙的半導體,而且在導帶與價帶交接處附近的色散關係式(電子能量與動量間的關係)遵守迪拉克方程式,亦即能帶形成迪拉克錐,也因此電子能以極高速度穿梭於石墨烯間。

上述聲學版石墨烯是由瓦倫西亞科技大學(Polytechnic University of Valencia)的 Daniel Torrent 與 Jose Sanchez-Dehesa 所發現。他們計算了聲波在鑽有六角排列孔洞的樹脂玻璃(Plexiglas)表面上的傳輸性質,特別是描述聲波能量與動量間關連的色散關係式,結果顯示迪拉克點及迪拉克錐的存在。此外,該模型也預測了表面聲波具有一特定的迪拉克頻率與迪拉克速度,在此條件下的聲波可在材料中傳輸而不發生散射。

為了進行實驗驗證,研究人員在長 300 mm 寬 100 mm 的樹脂玻璃上鑽有 1113 個直徑 3 mm 深度 2.88 mm 的孔洞,洞距則為 3.33 mm。他們將揚聲器連接至此樣品,並在兩不同位置以麥克風收音。為涵蓋了預測的迪拉克頻率,他們使用中心頻率 22 kHz 寬度約 5 kHz 的脈衝聲波。研究人員發現兩測量點間的相位延遲(phase delay)在 22 kHz 時顯著下降,對應到迪拉克錐的頂點。他們也發現由實驗數據計算得到的聲波色散關係在 22 kHz 附進形成能量與動量成線性關係的迪拉克錐,與理論預測相符。

研究人員表示,目前此具有聲波迪拉克錐的材料尚未有實際用途,不過將來可能應用於聲學透鏡上,在無反射損失的情況下收集聲波。Torrent 與 Sanchez-Dehesa 現在正進行實驗以驗證聲波能暢行無阻地在材料中傳遞,如同石墨烯內的迪拉克電子。他們認為類似的樣品可藉由聲波來模擬石墨烯的電子性質,其中一項優點在於樹脂玻璃的晶格常數能輕易改變。詳見 Phys. Rev. Lett. Vol. 108 174301。

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:Acoustic analogue to graphene announced—physicsworld [2012-05-02]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-06-24]


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