Quando bussi a un melone per vedere se è maturo, stai usando le onde sonore per sondare la struttura del materiale all'interno. I fisici dell'Università di Chicago stavano usando lo stesso concetto per esplorare come le onde sonore viaggiano attraverso strutture modellate quando hanno notato una stranezza:strutture completamente diverse suonavano allo stesso modo.

Questa è stata una cosa sorprendente, un po' come bussare a un melone e un ananas, e scoprendo che entrambi emettevano lo stesso suono.

"Ciò che ci ha entusiasmato è stato il fatto che non potevamo spiegare i nostri risultati utilizzando concetti esistenti, come simmetrie spaziali, " disse Vincenzo Vitelli, professore di fisica al James Franck Institute.

Quello che Vitelli e il suo gruppo avevano scoperto era una dualità, una simmetria "nascosta" che collega sistemi apparentemente non correlati. Pubblicato in Natura , il loro studio potrebbe un giorno aiutare a progettare metamateriali o persino dispositivi microscopici che elaborano le informazioni codificate nelle onde sonore.

Negli anni, la fisica ha costruito un quadro per prevedere le proprietà di un oggetto in base alle sue simmetrie spaziali. "Guarda un modello in plastica di una molecola di metano:i suoi atomi di idrogeno formano un tetraedro regolare. Questo ti dice molto su come vibra la molecola, " ha detto Michel Fruchart, un ricercatore post-dottorato e primo autore del documento. In modo simile, I modelli LEGO hanno aiutato gli autori di questo studio a scoprire le loro dualità. (Una dimostrazione video è disponibile sul loro sito.)

E se queste dualità potessero essere sfruttate per dotare un materiale di proprietà che altrimenti non avrebbe?

Negli ultimi anni, c'è stata un'esplosione di interesse in un campo chiamato metamateriali. Si tratta di strutture artificiali progettate per avere caratteristiche normalmente non previste in natura. Per esempio, si è pensato molto alla realizzazione di un "mantello dell'invisibilità" utilizzando materiali compositi che, grazie alla loro geometria interna, piegano la luce in entrata intorno a loro.

Fruchart e Vitelli hanno immaginato di usare questo approccio per prendere una particella come un fonone, essenzialmente una particella di calore, e dargli proprietà che di solito non ha.

Gli elettroni hanno una proprietà chiamata "spin" che viene utilizzata come base per alcuni degli ultimi dispositivi elettronici ad alta tecnologia. I fononi non hanno un giro, ma se gli scienziati potessero modellare la struttura dei materiali per dare ai fononi un "giro falso, " potrebbero potenzialmente usarli in dispositivi fononici, simili all'elettronica, ma con abilità diverse, come il controllo del calore.

"Spostando i fononi in giro, si potrebbero elaborare le informazioni memorizzate nel loro pseudo-spin, " ha detto Vitelli.

Hanno chiamato questo concetto "spintronica meccanica". Gli scienziati hanno affermato di sperare che le dualità possano rivelarsi altrettanto importanti nella progettazione dei metamateriali quanto lo sono attualmente le simmetrie.

"Il nostro approccio si applica anche ad altre onde, non solo fononi, ad esempio onde di luce e materia, ", ha detto Fruchart.