I fisici dell'Università dell'Oregon hanno sviluppato un nuovo metodo per manipolare il suono:fermalo, invertirlo, conservarlo e persino usarlo in seguito, in strutture composite sintetiche note come metamateriali.

La scoperta è stata fatta utilizzando l'analisi teorica e computazionale delle vibrazioni meccaniche di sottili lamine elastiche, che fungono da elementi costitutivi del progetto proposto. I fisici, Pragalv Karki e Jayson Paulose, ha anche sviluppato un modello minimale più semplice costituito da molle e masse che dimostrano la stessa capacità di manipolazione del segnale.

"Ci sono stati molti meccanismi che possono guidare o bloccare la trasmissione delle onde sonore attraverso un metamateriale, ma il nostro design è il primo a fermare e invertire dinamicamente un impulso sonoro, " disse Karki, ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Fisica e Istituto di Scienze Fondamentali dell'UO.

L'interazione tra la rigidità alla flessione e la tensione globale, due parametri fisici che regolano la trasmissione del suono nelle lastre sottili, è al centro del loro meccanismo di manipolazione del segnale. Mentre la rigidità alla flessione è una proprietà del materiale, la tensione globale è un parametro controllabile dall'esterno nel loro sistema.

Karki e Paulose, un assistente professore di fisica e membro dell'Istituto di Scienze Fondamentali, descritto il loro nuovo meccanismo, che chiamano sintonizzazione di dispersione dinamica, in un articolo pubblicato online il 29 marzo sulla rivista Revisione fisica applicata .

"Se getti un sasso in uno stagno, vedi le increspature, "Ha detto Karki. "Ma cosa succede se si lancia la pietra e invece di vedere le increspature che si propagano verso l'esterno si vede solo lo spostamento dell'acqua che va su e giù nel punto di impatto? È simile a ciò che accade nel nostro sistema".

La capacità di manipolare il suono, la luce o qualsiasi altra onda nei metamateriali artificiali è un'area attiva di ricerca, ha detto Karki.

Metamateriali ottici o fotonici, che presentano proprietà come un indice di rifrazione negativo non possibile con materiali convenzionali, sono stati inizialmente sviluppati per controllare la luce in modi che potrebbero essere utilizzati per creare mantelli dell'invisibilità e super lenti.

Il loro uso è in fase di esplorazione in diverse applicazioni come l'aerospaziale e la difesa, elettronica di consumo, dispositivi medici e raccolta di energia.

I metamateriali acustici sono generalmente statici e immutabili una volta prodotti, e la messa a punto dinamica delle loro proprietà è una sfida continua, ha detto Karki. Altri gruppi di ricerca hanno proposto diverse strategie per sintonizzare la trasmissione acustica, che vanno dai design ispirati agli origami alla commutazione magnetica.

"Nel nostro caso, l'accordabilità deriva dalla capacità di cambiare la tensione delle membrane a tamburo in tempo reale, " ha detto Karki.

ispirazione aggiuntiva, Karki e Paulose hanno notato, proveniva dalla ricerca nel laboratorio dell'UO del fisico Benjamín Alemán. In Comunicazioni sulla natura nel 2019, Il gruppo di Alemán ha presentato un bolometro nanomeccanico al grafene, una membrana simile a un tamburo in grado di rilevare i colori della luce ad alte velocità e alte temperature. L'approccio sfrutta un cambiamento nella tensione globale.

Mentre il meccanismo nel nuovo documento è stato identificato teoricamente e deve essere dimostrato in esperimenti di laboratorio, Karki ha detto, è sicuro che l'approccio funzionerà.

"Il nostro meccanismo di sintonizzazione della dispersione dinamica è indipendente dal fatto che tu stia utilizzando l'acustica, onde luminose o elettroniche, " Ha detto Karki. "Questo apre la possibilità di manipolare i segnali anche nei sistemi fotonici ed elettronici".

possibilità, Egli ha detto, includono una migliore elaborazione e calcolo del segnale acustico. Progettazione di metamateriali acustici a base di grafene, come quelli sviluppati nel laboratorio di Alemán, potrebbe portare a una varietà di usi come il calcolo basato su onde, transistor micromeccanici e dispositivi logici, guide d'onda e sensori ultrasensibili.

"Il nostro progetto potrebbe essere realizzato su microscala con grafene e su larga scala utilizzando fogli di membrana simili a tamburi, " Karki ha detto. "Tu colpisci la catena di tamburi, creando un particolare schema sonoro che si muove in una direzione, ma accordando la tensione dei tamburi, possiamo fermare il suono e conservarlo per un uso futuro. Può essere invertito o manipolato in un numero qualsiasi di altri modelli".