Notatka z Seminarium w dniu 25.11.2020
Autorem prezentacji był Pan prof. dr hab. Cz. Jasiukiewicz
Tematem referatu było omówienie najważniejszych odkryć i ich zastosowań w ramach intensywnie rozwijającej się dziedziny fizyki jaką jest fononika. Obejmuje ona zagadnienia z obszaru fizyki ciała stałego, termodynamiki i akustyki. Jest to nauka pokrewna elektronice oraz spintronice, w której zasadniczą rolę odgrywa nie transport ładunku elektrycznego czy spinu, lecz fali akustycznej. Jednym z zadań fononiki jest możliwość konstrukcji urządzeń do kierowania i wzmacniania sygnałów oraz przechowywania informacji przy wykorzystaniu akustycznych oraz termodynamicznych własności materii. Badania w tej dziedzinie są intensywnie rozwijane w ramach współpracy międzynarodowej i wspierane wysokobudżetowymi projektami.
Prezentacja Pana Profesora była oparta głównie o dwa artykuły z 2012 r, które ukazały się w czasopiśmie Nature, oraz nawiązywała do późniejszych badań dotyczących fononiki.
W zależności od podziału zakresów częstotliwości oraz zasięgu transmisji urządzeń fononicznych można wyróżnić obszar w zakresie małych częstotliwości i dużych odległości, obejmujący rozchodzenie się dźwięku oraz obszar dużych częstotliwości i małych odległości, dotyczący transportu ciepła. W prezentacji omówione zostały podstawowe zasady działania tzw. kryształów fononicznych, pozwalających na kontrolowaną propagację dźwięku. Posiadają one fononiczną przerwę energetyczną dzięki której możliwy jest selektywny transport fali akustycznej. Zjawisko to jest wykorzystywane do projektowania filtrów akustycznych. Ze względu na częstotliwość fal, możemy mówić o urządzeniach działających w skali makroskopowej (zakres rzędu kHz), mających postać kilkumetrowych konstrukcji, oraz pracujących w skali mikroskopowej, posiadających otwory w strukturze o rozmiarach rzędu mikrometrów (zakres rzędu GHz) lub nanometrów (THz).
W przypadku diod akustycznych, skonstruowanych przy użyciu jednowymiarowego kryształu fononicznego, możliwe jest uzyskanie jednokierunkowej transmisji dźwięku. Liniową diodę akustyczną może stanowić zespół stalowych prętów. W zależności od kąta padania fali akustycznej, w układzie dochodzi do zjawiska interferencji, a zarazem fala przedostaje się przez diodę bez zmiany częstości. Innym przykładem jest dioda zbudowana z łańcucha nieliniowo oddziałujących stalowych sfer. Umieszczenie w takim łańcuchu kuli o innych własnościach akustycznych bądź rozmiarach działa jak defekt i powoduje powstanie zlokalizowanej fali akustycznej o niższej częstotliwości, która będzie lepiej propagowała przez łańcuch niż fala o częstotliwości wyższej. Podobne struktury mogą być budowane w mikroskali z wykorzystaniem półprzewodników. Układy te mają postać zbioru płaszczyzn kryształów zawierających akustyczne wnęki rezonansowe. Obecność wielowarstwowych struktur krystalicznych pozwala w tym samym materiale uformować rezonansową wnękę optyczną i uzyskać interakcję pomiędzy falą dźwiękową i świetlną.
W prezentacji omówione zostały również diody termiczne, złożone z dwóch sprzężonych ze sobą materiałów. W strukturach takich istnieje zaporowy kierunek strumienia ciepła prowadzący do jednokierunkowego transportu energii oraz występuje ujemna rezystancja termiczna, gdzie wraz ze wzrostem temperatury maleje prąd termiczny.
Kolejną generacją urządzeń stosujących wspomniane własności są tranzystory termiczne, stanowiące odpowiedniki tranzystorów polowych. Jednym z ważniejszych zastosowań tych układów jest przetwornik analogowo-cyfrowy, w którym dwa stabilne punkty pracy oraz jeden niestabilny są wykorzystywane do blokowania lub odblokowywania strumienia ciepła. Przez analogię z układami elektronicznymi możliwe jest także zbudowanie termicznych bramek logicznych, gdzie stany są określane nie za pomocą napięcia elektrycznego lecz temperatury. Podczas seminarium Pan Profesor omówił udane próby konstrukcji pamięci termicznej opartej o termiczne bramki logiczne, silnik wykorzystujący do przepływu ciepła różnice własności przewodnictwa cieplnego, oraz topologiczny fononowy efekt Halla.
