12 oktober 2009
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.
vergroten Figuur 1. Patterns
(a) Het multifractale golfpatroon beneden het Anderson lokalisatie
overgangspunt. Het patroon wordt gekenmerkt door geluidspieken van
verschillende grootte.
(b) Het willekeurige diffuse 'rumoer' van geluid dat typisch ontstaat
wanneer geluid veelvuldig wordt verstrooid.
Figuur 2. Sample
vergroten Figuur 2. Sample
Het sample bestaat uit een verzameling aluminium bolletjes.
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
Observation of Multifractality in Anderson Localization of Ultrasound
Phys. Rev. Lett. 103, 155703 (2009)
http://link.aps.org/abstract/PRL/v103/e155703
Stichting FOM