È noto che la perdita di energia dovuta alla dispersione da difetti del materiale pone limiti alle prestazioni di quasi tutte le tecnologie che utilizziamo per le comunicazioni, tempismo, e navigazione. Nei giroscopi e negli accelerometri micromeccanici, come quelli che si trovano comunemente nei cellulari di oggi, il disordine microstrutturale influisce sulla deriva della misurazione e sulla precisione complessiva del sensore, analogamente a come una corda di violino sporca potrebbe influire sul godimento di una bella musica. Nei sistemi di comunicazione in fibra ottica, la dispersione da difetti del materiale può ridurre la fedeltà dei dati su lunghe distanze, riducendo così la larghezza di banda ottenibile. Poiché non è possibile ottenere materiali privi di difetti, come possiamo eventualmente migliorare i limiti tecnologici fondamentali imposti dal disordine?

Una collaborazione di ricerca tra l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, l'Istituto nazionale di standard e tecnologia, e l'Università del Maryland ha rivelato una nuova tecnica mediante la quale la dispersione delle onde sonore dal disordine in un materiale può essere soppressa su richiesta. Tutto questo, può essere ottenuto semplicemente illuminando con il colore appropriato della luce laser. Il risultato, che è pubblicato in Comunicazioni sulla natura , potrebbe avere un impatto ad ampio raggio sui sensori e sui sistemi di comunicazione.

Gaurav Bahl, un assistente professore di scienze meccaniche e ingegneria, e il suo gruppo di ricerca hanno studiato l'interazione della luce con il suono nei microrisonatori allo stato solido. Questo nuovo risultato è il culmine di una serie di esperimenti perseguiti dal suo team negli ultimi anni, e una nuova domanda scientifica posta al posto giusto.

"I risonatori possono essere pensati come camere di eco per suono e luce, e possono essere semplici come palline di vetro microsferiche come quelle che abbiamo usato nel nostro studio, " Bahl ha spiegato. "La nostra comunità di ricerca ha capito da tempo che la luce può essere utilizzata per creare e amplificare le onde sonore nei risonatori attraverso una varietà di forze ottiche. Gli echi risonanti aiutano ad aumentare il tempo di interazione tra suono, leggero, e disordine materiale, rendendo questi effetti sottili molto più facili da osservare e controllare. Poiché le interazioni all'interno dei risonatori non sono fondamentalmente diverse da quelle che avvengono in qualsiasi altro sistema, queste possono essere una piattaforma davvero compatta per esplorare la fisica sottostante".

La chiave per sopprimere la dispersione dal disordine è indurre un disallineamento nella propagazione tra le direzioni originale e sparse. Questa idea è simile a come una corrente elettrica preferisce fluire lungo il percorso di minor resistenza, o come l'acqua preferisce scorrere attraverso un tubo più largo piuttosto che stretto. Per sopprimere la retrodiffusione delle onde sonore che si muovono in avanti, si deve creare una grande impedenza acustica nella direzione all'indietro. Questa asimmetria per le onde che si propagano in avanti e all'indietro è definita chiralità del mezzo. La maggior parte dei sistemi allo stato solido non ha proprietà chirali, ma queste proprietà possono essere indotte attraverso campi magnetici o attraverso variazioni spazio-temporali del mezzo.

"Alcuni anni fa, abbiamo scoperto che la chiralità può essere indotta per la luce utilizzando un fenomeno opto-meccanico, in cui la luce si accoppia con le onde sonore che si propagano e rende il mezzo trasparente. I nostri esperimenti in quel momento hanno mostrato che la trasparenza ottica indotta consente solo alla luce di muoversi unidirezionalmente, questo è, crea un'impedenza ottica preferenzialmente bassa in una direzione, " ha detto Bahl. "È allora che abbiamo incontrato il nostro collaboratore Jacob Taylor, un fisico al NIST, che ci ha fatto una semplice domanda. Cosa succede alle onde sonore in un sistema del genere?"

"Il nostro modello teorico ha previsto che avere un sistema chirale per la propagazione del suono potrebbe sopprimere qualsiasi retrodiffusione che potrebbe essere stato indotto dal disordine, " ha spiegato Taylor. "Questo concetto è nato dal lavoro che abbiamo svolto negli ultimi anni sulla protezione topologica della luce, dove la propagazione chirale è una caratteristica chiave per migliorare le prestazioni dei dispositivi. Inizialmente il piano con il team di Bahl era solo quello di mostrare una differenza tra le onde sonore che si propagano in avanti e all'indietro, utilizzando un effetto di raffreddamento creato dalla luce. Ma il sistema ci ha sorpreso con un effetto pratico ancora più forte del previsto".

Quella semplice domanda ha lanciato un nuovo sforzo di ricerca pluriennale in una direzione che non è stata esplorata in precedenza. Lavorando in stretta collaborazione, il team ha scoperto che la diffusione della luce di Brillouin, un tipo specifico di interazione opto-meccanica, potrebbe anche indurre chiralità per le onde sonore. Tra gli strumenti sperimentali nel laboratorio di Bahl, e i progressi teorici nel laboratorio di Taylor, i pezzi del puzzle erano già al loro posto.

"Abbiamo preparato sperimentalmente un sistema optomeccanico chirale facendo circolare un campo laser in senso orario in un risonatore in vetro di silice. La lunghezza d'onda del laser, o colore, è stato appositamente predisposto per indurre lo smorzamento ottico delle sole onde sonore in senso orario. Ciò ha creato un grande disadattamento di impedenza acustica tra le direzioni di propagazione in senso orario e antiorario, " ha spiegato Seunghwi Kim, primo autore dello studio. "Le onde sonore che si propagavano in senso orario hanno subito perdite molto elevate a causa dell'effetto di raffreddamento opto-meccanico. Le onde sonore che si muovevano in senso antiorario potevano muoversi liberamente. Sorprendentemente, abbiamo visto un'enorme riduzione della perdita di diffusione per le onde sonore in senso antiorario, poiché quelle onde non potevano più disperdersi in senso orario! In altre parole, anche se il disordine era presente nel risonatore, la sua azione è stata soppressa."

Proprio come il suono è il metodo principale di comunicazione vocale tra gli esseri umani, le onde elettromagnetiche come la radio e la luce sono la tecnologia primaria utilizzata per le comunicazioni globali. Cosa potrebbe significare questa scoperta per l'industria delle comunicazioni? Il disordine e i difetti dei materiali sono sistemi in fibra ottica inevitabili, con conseguente minore fedeltà dei dati, errori di bit, e limitazioni della larghezza di banda. Il team ritiene che le tecnologie basate su questa scoperta potrebbero essere sfruttate per aggirare l'impatto di difetti materiali inevitabili in tali sistemi.

"Abbiamo già visto che molti sensori, come quelli che si trovano nel telefono o nella macchina, può essere limitato da difetti intrinseci dei materiali, " ha aggiunto Taylor. "L'approccio introdotto qui fornisce un mezzo semplice per aggirare queste sfide, e potrebbe anche aiutarci ad avvicinarci ai limiti fissati dalla meccanica quantistica, piuttosto che le nostre sfide ingegneristiche."

Le applicazioni pratiche di questo risultato potrebbero non essere distanti molti anni. La riduzione delle perdite meccaniche potrebbe anche migliorare direttamente i sensori di navigazione inerziale basati sulla meccanica che utilizziamo oggi. Esempi che incontriamo nella vita quotidiana sono accelerometri e giroscopi, senza il quale i nostri telefoni cellulari sarebbero molto meno capaci, e le nostre auto e aerei molto meno sicuri.