Onde acustiche nei gas, liquidi, e i solidi di solito viaggiano a una velocità del suono quasi costante. Fanno eccezione i cosiddetti rotoni:la loro velocità del suono cambia significativamente con la lunghezza d'onda, ed è anche possibile che le onde viaggino all'indietro. I ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) stanno studiando le possibilità di utilizzare i rotoni in materiali artificiali. Questi metamateriali progettati al computer, prodotto da stampa laser 3D ultra precisa, potrebbe essere utilizzato in futuro per manipolare o dirigere il suono in modi che non sono mai stati possibili prima. Un rapporto sul lavoro dei ricercatori è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura .

I rotoni sono quasiparticelle, il che significa che si comportano in modo simile alle particelle libere. A differenza delle normali onde acustiche nei gas, liquidi, e solidi, la velocità del suono cambia significativamente con la lunghezza d'onda. Inoltre, certe frequenze generano tre diverse onde parziali. "La più lenta tra queste è un'onda all'indietro:il flusso di energia e i fronti d'onda corrono in direzioni esattamente opposte, " spiega il professor Martin Wegener dell'Istituto di fisica applicata (APH) e dell'Istituto di nanotecnologia (INT) del KIT. Comprendere e trarre vantaggio dalle quasiparticelle come i rotoni è una delle grandi sfide della fisica quantistica. Il fisico Lev Landau, che ha vinto un premio Nobel nel 1962 per il suo lavoro pionieristico, prevedevano la loro esistenza nel contesto della superfluidità, una condizione in cui un fluido perde il suo attrito interno e diventa termicamente conduttivo in modo quasi ideale. Fino ad ora, i rotoni potevano essere osservati solo in speciali condizioni quanto-fisiche a temperature molto basse e quindi non erano adatti alle applicazioni tecniche.

Rotoni senza effetti quantistici

Questo potrebbe cambiare in futuro:nel 3D Matter Made to Order Cluster of Excellence di KIT e dell'Università di Heidelberg, un gruppo di ricercatori sta lavorando su metamateriali che "crescono" rotoni. I metamateriali esibiscono ottica, acustico, elettrico, o proprietà magnetiche che non si trovano in natura. Gli scienziati propongono un materiale artificiale in grado di produrre rotoni senza effetti quantistici in condizioni ambientali normali ea frequenze o lunghezze d'onda quasi casuali. Così, potrebbe essere possibile in futuro manipolare meglio le onde sonore nell'aria o nei materiali, Per esempio, per farli tornare indietro, reindirizzarli, o creare echi. Questi materiali non sono stati ancora dimostrati sperimentalmente; però, dovrebbe essere possibile produrli utilizzando tecnologie come la stampa laser 3D ultra precisa. "Nel frattempo abbiamo anche realizzato alcuni di questi metamateriali, " Dice il professor Martin Wegener. "Attualmente, stiamo lavorando intensamente alla prova sperimentale diretta dell'esistenza dei rotoni."

Stampa 3D:la porta dal mondo digitale al mondo fisico

Dottor Yi Chen, autore principale della pubblicazione, spiega che i ricercatori si sono basati su una combinazione di riflessione, molte discussioni e simulazioni numeriche e ottimizzazioni per ideare la progettazione virtuale assistita da computer di materiali con tali nuove proprietà. Il suo lavoro come ricercatore post-dottorato presso il KIT è finanziato dalla Fondazione Alexander von Humboldt ed è integrato in un programma di Helmholtz intitolato "Ingegneria dei sistemi dei materiali" lanciato nel 2021. "In generale, il nostro sogno è progettare materiali al computer e poi trasformarli direttamente in realtà, senza anni di tentativi ed errori. Quindi la stampa 3D è solo un convertitore automatizzato, com'era, dal mondo digitale a quello fisico, "Spiega il professor Martin Wegener.