투명 망토? 파동 산란 시뮬레이션이 고급 메타물질의 잠재력을 열어준다

맥쿼리 대학의 연구자들이 개발한 새로운 소프트웨어 패키지는 소리, 물, 빛과 같은 파동이 복잡한 입자 구성을 만날 때 어떻게 분산되는지를 정확하게 모델링할 수 있습니다.

이를 통해 파동을 증폭, 차단 또는 편향시키는 데 사용되는 흥미로운 인공 물질인 메타물질을 신속하게 설계하는 능력이 크게 향상될 것입니다.

2024년 6월 19일 영국 왕립학회지 A 에 발표된 연구 결과는 다양한 모양과 특성을 가진 파동과 입자 간의 상호 작용을 모델링하는 다중극 기반 도구인 TMATSOLVER의 사용을 보여주었습니다.

TMATSOLVER 소프트웨어를 사용하면 복잡한 모양을 가진 산란체 최대 수백 개로 구성된 배열을 매우 쉽게 시뮬레이션할 수 있습니다.

맥쿼리 대학 수학 및 통계학과의 스튜어트 호킨스 박사는 이 소프트웨어가 전이 행렬(T-행렬)을 사용한다고 설명했습니다. T-행렬은 특정 물체가 파동을 어떻게 산란시키는지 완벽하게 설명하는 숫자 그리드입니다.

"T-매트릭스는 1960년대부터 사용되었지만 우리는 파장보다 훨씬 크고 복잡한 모양을 가진 입자의 T-매트릭스를 정확하게 계산하는 데 큰 진전을 이루었습니다."라고 호킨스 박사는 말합니다.

"TMATSOLVER를 사용하여 이전에는 해결할 수 없었던 입자 구성을 모델링할 수 있었습니다."

호킨스 박사는 영국의 애들레이드 대학, 맨체스터 대학, 런던 임페리얼 칼리지, 그리고 독일의 아우크스부르크 대학과 본 대학의 수학자들과 협력했습니다.

"이 프로젝트에 참여하고 TMATSOLVER 소프트웨어를 메타물질 연구에 통합하는 것은 환상적인 일이었습니다." 아델레이드 대학의 연구원이자 본 논문의 공동 저자인 루크 베넷 박사의 말입니다.

"이는 메타물질 이론을 테스트하기 위해 수치 계산을 생성하는 병목 현상을 피할 수 있었고 훨씬 더 복잡한 형상으로 테스트 사례를 쉽게 일반화할 수 있다는 것을 의미했습니다."

연구자들은 메타물질 설계의 네 가지 예제 문제를 통해 소프트웨어의 기능을 입증했습니다. 이러한 문제에는 이방성 입자 배열, 고대비 정사각형 입자, 파동을 늦추는 조정 가능한 [JvE1] 주기 구조가 포함되었습니다.

초물질은 자연에서는 발견되지 않는 독특한 특성을 갖도록 설계되어 나노 스케일 구조의 크기, 모양, 배열을 제어함으로써 전자기파, 소리 또는 기타 파동과 상호 작용할 수 있습니다.

이러한 예로는 분자 수준에서 물체를 보는 슈퍼렌즈, 모든 가시광선을 굴절시키는 투명 망토, 에너지 수확이나 소음 감소를 위한 완벽한 파동 흡수 등이 있습니다.

TMATSOLVER 툴에 대한 이번 연구 개발의 결과는 정밀한 파동 제어를 위해 설계할 수 있는 메타물질에 대한 글로벌 시장에서의 연구 개발을 가속화하는 데 폭넓게 응용될 것입니다.

"저희는 소프트웨어가 입자 유형에 가장 적합한 기술을 사용하여 매우 광범위한 입자에 대한 T-매트릭스를 계산할 수 있음을 보였습니다."라고 호킨스 박사는 말합니다.

"이를 통해 새로운 메타물질 설계의 신속한 프로토타입 제작과 검증이 가능해질 것입니다."

맥쿼리 대학의 과학 및 공학부 학장인 루시 마셜 교수는 이 소프트웨어가 새로운 혁신을 가속화할 수 있다고 말했습니다.

"이 연구는 복잡한 초소재를 설계하고 시뮬레이션하는 우리의 능력에 있어 큰 도약을 나타내며, 혁신적인 계산 방법이 어떻게 재료 과학 및 엔지니어링의 발전을 이끌 수 있는지 보여주는 좋은 사례입니다."라고 교수는 말했습니다.

뉴스 검색