In una svolta per la fisica e l'ingegneria, ricercatori della Photonics Initiative presso l'Advanced Science Research Center presso il Graduate Center, CUNY (CUNY ASRC) e Georgia Tech hanno presentato la prima dimostrazione di ordine topologico basato su modulazioni temporali. Questo progresso consente ai ricercatori di propagare le onde sonore lungo i confini dei metamateriali topologici senza il rischio che le onde viaggino all'indietro o siano ostacolate da difetti del materiale.

Le nuove scoperte, che appaiono sul giornale Progressi scientifici , aprirà la strada a prezzi più convenienti, dispositivi più leggeri che consumano meno batteria, e che possono funzionare in ambienti difficili o pericolosi. Andrea Alù, direttore fondatore della CUNY ASRC Photonics Initiative e professore di fisica presso il Graduate Center, CUNY, e il ricercatore associato Xiang Ni sono stati autori del documento, insieme ad Amir Ardabi e Michael Leamy della Georgia Tech.

Il campo della topologia esamina le proprietà di un oggetto che non sono interessate da deformazioni continue. In un isolante topologico, le correnti elettriche possono fluire lungo i confini dell'oggetto, e questo flusso resiste ad essere interrotto dalle imperfezioni dell'oggetto. I recenti progressi nel campo dei metamateriali hanno esteso queste caratteristiche per controllare la propagazione del suono e della luce seguendo principi simili.

In particolare, lavori precedenti dei laboratori di Alù e del City College of New York Physics Professor Alexander Khanikaev hanno utilizzato asimmetrie geometriche per creare un ordine topologico in metamateriali acustici stampati in 3D. In questi oggetti, è stato dimostrato che le onde sonore sono limitate a viaggiare lungo i bordi dell'oggetto e intorno agli angoli acuti, ma con uno svantaggio significativo:queste onde non erano completamente vincolate:potevano viaggiare in avanti o indietro con le stesse proprietà. Questo effetto ha intrinsecamente limitato la robustezza complessiva di questo approccio all'ordine topologico del suono. Certi tipi di disordine o imperfezioni rifletterebbero infatti all'indietro il suono che si propaga lungo i confini dell'oggetto.

Questo ultimo esperimento vince questa sfida, mostrando quella rottura della simmetria dell'inversione del tempo, piuttosto che asimmetrie geometriche, può essere utilizzato anche per indurre l'ordine topologico. Usando questo metodo, la propagazione del suono diventa veramente unidirezionale, e fortemente robusto al disordine e alle imperfezioni

"Il risultato è una svolta per la fisica topologica, come siamo stati in grado di mostrare l'ordine topologico emergente dalle variazioni temporali, che è diverso, e più vantaggioso, dell'ampio corpus di lavori sull'acustica topologica basata su asimmetrie geometriche, " Ha detto Alù. "Gli approcci precedenti richiedevano intrinsecamente la presenza di un canale all'indietro attraverso il quale il suono potesse essere riflesso, che ne limitava intrinsecamente la protezione topologica. Con le modulazioni temporali possiamo sopprimere la propagazione all'indietro e fornire una forte protezione topologica".

I ricercatori hanno progettato un dispositivo costituito da una serie di risonatori piezoelettrici circolari disposti in esagoni ripetuti, come un reticolo a nido d'ape, e legato ad un sottile disco di acido polilattico. Hanno quindi collegato questo a circuiti esterni, che forniscono un segnale modulato nel tempo che rompe la simmetria di inversione temporale.

Come bonus, il loro design consente la programmabilità. Ciò significa che possono guidare le onde lungo una varietà di diversi percorsi riconfigurabili, con perdite minime. Ecografia, sonar, e i sistemi elettronici che utilizzano la tecnologia delle onde acustiche di superficie potrebbero tutti beneficiare di questo progresso, disse Alù.