In questo tipo di strutture, i segnali sonori rimangono robusti e insensibili al rumore causato da impurità e difetti del materiale. Nell'ambito di questa ricerca, gli scienziati hanno scoperto che l'isolante topologico acustico potrebbe fungere da guida d'onda estremamente robusta, in grado di irradiare il suono in un raggio molto stretto verso il campo lontano. Questo raggio acustico focalizzato potrebbe essere estremamente importante per applicazioni come i test non distruttivi mediante ultrasuoni o nelle ecografie diagnostiche in medicina e biologia, come sottolineato dai ricercatori.

In un articolo, recentemente pubblicato sulla rivista Fisica delle comunicazioni insieme a fisici dell'Università di Nanchino (Cina) e della Stanford University (Stati Uniti), gli scienziati hanno passato in rassegna gli studi più recenti sullo sviluppo di questo argomento relativo alla fisica quantistica. Quest'area di ricerca è all'avanguardia della fisica e ha vinto il Premio Nobel per la Fisica 2016. Gli scienziati che hanno condotto questo studio volevano vedere se il fenomeno degli isolanti topologici, tradizionalmente utilizzato nella fisica quantistica per controllare i segnali elettrici, potrebbe avere un effetto equivalente usando le onde sonore.

"L'idea era di utilizzare un concetto così esotico da produrre possibilità completamente nuove per i trasduttori acustici, sensori e guide d'onda. Inoltre, da un punto di vista più fisico, significherebbe che certi effetti nella fisica quantistica hanno un equivalente nella fisica classica delle onde sonore", commenta uno degli autori dello studio, Johan Christensen, dal Dipartimento di Fisica dell'UC3M.

Per questo, i ricercatori hanno voluto emulare il cosiddetto "effetto valle-Hall", utilizzato per studiare la conduzione elettrica in diversi materiali conduttivi e semiconduttori. Questo effetto significa che il campo magnetico tende a separare le cariche positive dalle cariche negative in direzioni opposte, quindi le "valli" sono massimi e minimi di energia degli elettroni in un solido cristallino. L'equilibrio viene ripristinato quando la forza applicata dal campo elettrico generato dalla distribuzione delle cariche si oppone alla forza applicata dal campo magnetico. Con l'obiettivo di emulare una versione acustica di questo effetto Valley-Hall, i ricercatori hanno creato un cristallo macroscopico artificiale ispirato alla tessitura dei cesti giapponesi noto come "kagome, " sostituendo il bambù a piccoli cilindri di resina epossidica. Il funzionamento di questo cristallo è stato spiegato lo scorso anno in diversi articoli pubblicati da Johan Christensen su riviste scientifiche Materiale avanzato e Lettere di revisione fisica .

"Curiosamente, gli stati topologici acustici legati all'effetto valle-Hall mostrano un vortice circolante che, con nostra sorpresa, ha prodotto proprietà inaspettate e senza precedenti per l'acustica", spiega Johan Christensen. "Il nostro cristallo Kagome ha mostrato un'incredibile resistenza contro i difetti pronunciati, curve e curve quando si guida il suono sulla superficie o sull'interfaccia del cristallo".