La riproduzione dell'audio registrato dalla memoria digitale ci consente di ascoltare la musica senza la presenza fisica di uno strumento musicale per generare un suono risonante. In un'area apparentemente non correlata chiamata metamateriali, gli scienziati progettano diverse strutture fisiche che risuonano anche con il suono o la luce, per ottenere molti fenomeni intriganti come la rifrazione negativa e l'invisibilità.

Recentemente, scienziati della Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), in collaborazione con la Seoul National University in Corea, hanno realizzato quello che hanno chiamato un metamateriale acustico virtualizzato, nella digitalizzazione della risposta materiale a una risposta all'impulso memorizzata in un programma software. Tale rappresentazione digitale è comune nell'elaborazione del segnale per costruire filtri, ma ora come nuova applicazione alla scienza dei materiali. La rappresentazione digitale sostituisce le precedenti strutture fisiche, lasciando solo una collezione di microfoni e altoparlanti interconnessi con un microprocessore di backend. La risposta all'impulso del metamateriale è ora semplicemente un programma software per generare qualsiasi onda diffusa con una dispersione di frequenza su misura. Come tale, la risposta dei metamateriali può essere resa arbitraria e sintonizzata in modo flessibile con un semplice clic del pulsante.

I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura il 14 gennaio, 2020.

"L'attuale approccio nella ricerca sui metamateriali imita la risposta degli atomi naturali da parte di quelli costruiti artificialmente utilizzando strutture fisiche risonanti. Ma ciò soffre per lungo tempo di una limitazione che la proprietà non può essere sintonizzata facilmente in una vasta gamma e in modo dinamico, " ha affermato il Prof. Jensen Li Tsan-Hang del Dipartimento di Fisica, HKUST, che ha condotto la ricerca. "Questo è particolarmente importante per molte applicazioni realistiche, come lo stealth a banda larga, che deve funzionare in un ambiente dinamico e rigoroso."

"Il nostro lavoro affronta questo problema e fornisce un approccio fattibile per digitalizzare la risposta in un programma software. Una rappresentazione digitale di un metamateriale, prendendo in prestito un concetto popolare di risposta all'impulso nell'elaborazione del segnale, la risposta del metamateriale può essere sintonizzata e modificata semplicemente con un clic del pulsante per cambiare il programma software, " ha detto il prof. Li.

Mentre i metamateriali hanno mostrato alti valori commerciali in termini di prestazioni superiori nell'insonorizzazione, realizzazione di meta-lenti compatte, eccetera., una tale tecnologia di virtualizzazione aggiungerà ulteriormente un'enorme sintonizzabilità in termini di funzioni, assegnando un altro livello di significato a "meta, " e permettendo ai metamateriali di fare stealth a banda larga, assorbimento acustico attivo, immagini ad alta risoluzione, e oltre.

"Con il nostro approccio, possiamo facilmente entrare nel regime attivo dei metamateriali, oltre alla sintonizzabilità che abbiamo menzionato. Elettronica esterna, rispetto ai metamateriali convenzionali che consistono in strutture fisiche passive, può sempre fornire potenza ai metamateriali, " ha detto il Prof. Namkyoo Park, del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica, Università Nazionale di Seul. "Non ci limitiamo a metamateriali che possono essere solo passivi o dissipare potenza; qualsiasi risposta attiva può essere specificata facilmente. Lo dimostriamo nel nostro lavoro realizzando un metamateriale con una trasmissione amplificata molto più grande del valore uno".

"Sostituendo la struttura fisica risonante con un kernel di convoluzione matematica di design con un circuito di elaborazione del segnale digitale veloce, dimostriamo un controllo disaccoppiato del modulo effettivo di massa e della densità di massa dei metamateriali acustici su richiesta attraverso una dispersione di frequenza definita dal software, " ha affermato il Prof. Li. "Fornendo un'ampiezza liberamente riconfigurabile dal software, frequenza centrale, e larghezza di banda di dispersione di frequenza, il nostro approccio aggiunge un'ulteriore dimensione alla costruzione non reciproca, non hermitiano, e sistemi topologici con capacità variabili nel tempo come potenziali applicazioni."

Il prossimo passo del gruppo di ricerca comporterà la costruzione di una versione molto più grande di meta-atomi di un metamateriale, che consentirà ai ricercatori di manipolare ulteriormente le onde sonore con proprietà che vanno oltre l'attuale generazione di metamateriali, come l'invisibilità della banda larga, trasmissione estrema non reciproca o isolamento acustico.