Utilizzando una rete di nano-stringhe vibranti controllate con la luce, i ricercatori dell'AMOLF hanno fatto muovere le onde sonore in una specifica direzione irreversibile e per la prima volta hanno attenuato o amplificato le onde in modo controllato. Questo dà origine a un effetto laser per il suono. Con loro sorpresa, hanno scoperto nuovi meccanismi, le cosiddette "fasi geometriche", con cui possono manipolare e trasmettere il suono in sistemi dove si pensava fosse impossibile. "Questo apre la strada a nuovi tipi di (meta)materiali con proprietà che non conosciamo ancora dai materiali esistenti", afferma il leader del gruppo Ewold Verhagen che, insieme ai primi autori condivisi Javier del Pino e Jesse Slim, pubblica i sorprendenti risultati su 2 giugno in Natura .

La risposta degli elettroni e di altre particelle cariche ai campi magnetici porta a molti fenomeni unici nei materiali. "Per molto tempo volevamo sapere se si potesse ottenere un effetto simile a un campo magnetico sugli elettroni sul suono, che non ha carica", afferma Verhagen. "L'influenza di un campo magnetico sugli elettroni ha un ampio impatto:ad esempio, un elettrone in un campo magnetico non può muoversi lungo lo stesso percorso nella direzione opposta. Questo principio sta alla base di vari fenomeni esotici a scala nanometrica, come come l'effetto Hall quantistico e il funzionamento degli isolanti topologici (materiali che conducono la corrente perfettamente ai bordi e non nella loro massa).Per molte applicazioni, sarebbe utile se potessimo ottenere lo stesso per vibrazioni e onde sonore e quindi rompere il simmetria della loro propagazione, quindi non è più simmetrica dell'inversione temporale."

Campo magnetico per il suono

A differenza degli elettroni, le vibrazioni meccaniche non hanno carica e quindi non rispondono ai campi magnetici. Tuttavia, sono sensibili alla pressione di radiazione della luce. Il gruppo di Verhagen ha quindi utilizzato la luce laser per influenzare i nanorisonatori meccanici. Nel 2020, hanno utilizzato queste stesse corde vibranti per dimostrare che la simmetria di inversione temporale potrebbe essere interrotta per il suono che salta da un risuonatore all'altro:il trasferimento del suono da una corda all'altra è diverso rispetto alla direzione opposta. Vedi anche la notizia del 3 febbraio 2020. "Abbiamo ora dimostrato che se creiamo una rete di più nano-stringhe vibranti, possiamo realizzare una gamma di modelli vibrazionali non convenzionali illuminando le corde con luce laser", afferma Verhagen. "Ad esempio, siamo riusciti a far muovere le particelle sonore (fononi) in un'unica direzione allo stesso modo degli elettroni nell'effetto Hall quantistico."

Amplificazione

I ricercatori si sono resi conto che potevano anche utilizzare la pressione della radiazione per controllare l'amplificazione e l'attenuazione del suono. "Funziona in modo simile a un bambino su un'altalena che estende o tira indietro le gambe al momento giusto", spiega Verhagen. "Tale amplificazione o attenuazione non è possibile per gli elettroni in un campo magnetico."

I ricercatori sono stati i primi a condurre esperimenti in cui la luce guida amplifica le onde sonore assicurando allo stesso tempo che queste sperimentino un effetto simile a quello di un campo magnetico. "Abbiamo scoperto che la combinazione di amplificazione e rottura della simmetria di inversione temporale porta a una serie di effetti fisici nuovi e inaspettati", afferma Verhagen. "Innanzitutto, la luce laser determina la direzione in cui il suono viene amplificato. Nell'altra direzione, il suono viene bloccato. Ciò è causato da una fase geometrica:una quantità che indica in che misura l'onda sonora viene spostata mentre passa attraverso la rete di nano-stringhe, che in questo caso è causata dalla pressione di radiazione.Il nostro esperimento ci ha permesso di controllare e alterare completamente quella fase geometrica.Inoltre, abbiamo utilizzato la pressione di radiazione della luce laser per amplificare il suono. Quel suono può anche iniziare ad oscillare spontaneamente, come la luce in un laser. Abbiamo scoperto che la fase geometrica che applichiamo determina se ciò accade o meno e con quale forza di amplificazione".

Nuovi materiali

I ricercatori hanno scoperto che nuove fasi geometriche potevano essere realizzate in sistemi in cui ciò non era considerato possibile. In tutti questi, le fasi influenzano l'amplificazione, la direzione e il tono delle onde sonore. "Le fasi geometriche sono importanti in molti rami della fisica, poiché descrivono il comportamento di diversi sistemi e materiali. Se combinate con i campi magnetici, possono portare a un isolante topologico per gli elettroni, ma quali proprietà potrebbe essere una variante 'sonica' basata sui principi scoperti avere è qualcosa che dobbiamo ancora imparare. Tuttavia, sappiamo che questo non sarà simile a tutto ciò che sappiamo", afferma Verhagen. "Potremmo studiare ulteriormente gli effetti collegando più nano-stringhe nei 'metamateriali' acustici che controlliamo con la luce. Ma gli effetti che abbiamo osservato dovrebbero applicarsi a una gamma di onde senza carica, tra cui luce, microonde, atomi freddi, ecc. cetera. Ci aspettiamo che con i nuovi meccanismi che abbiamo scoperto, sarà possibile produrre nuovi (meta)materiali con proprietà che non conosciamo ancora dai materiali esistenti."

Tali materiali e sistemi hanno proprietà insolite che potrebbero avere applicazioni utili. Verhagen:"E' ancora troppo presto per fornire una panoramica completa delle possibilità. Tuttavia, possiamo già riconoscere alcune potenziali direzioni. Ad esempio, un amplificatore unidirezionale per onde potrebbe avere applicazioni utili nella comunicazione quantistica. Potremmo anche realizzare sensori molto di più sensibile rompendo la simmetria di inversione temporale." + Esplora ulteriormente

Le vibrazioni su un chip percepiscono un campo magnetico