Due fogli di carbonio atomicamente sottili impilati uno sopra l'altro, chiamato grafene a doppio strato, mostrano proprietà uniche quando uno degli strati è attorcigliato ad un certo angolo, un angolo "magico". Lo studio della magia e di altri disallineamenti angolari tra due strati di materiale e i loro effetti sulle proprietà del materiale è stato soprannominato twistronics, un campo in rapida espansione della fisica della materia condensata.

Per portare la twistronica alla macroscala, un team di ricercatori della Penn State ha progettato un equivalente acustico del grafene a doppio strato ad angolo magico. La loro carta è stata recentemente accettata in Revisione fisica B:comunicazioni rapide .

"Esaminare analoghi concetti di fisica della materia condensata può darci nuove idee e applicazioni in acustica, " disse Yun Jing, professore associato di acustica e ingegneria biomedica.

In una simulazione, il team di ricerca ha costruito il progetto acustico da una lastra piana contenente un modello esagonale di fori analogo alla disposizione degli atomi nel grafene su scala nanometrica. Hanno aggiunto un altro strato di piastra simile al grafene, allineando le piastre ma lasciando un'intercapedine d'aria verticale tra le due, e attorcigliato il piatto superiore. Questa torsione ha creato un caratteristico motivo Moiré, visto anche nel tipico grafene ad angolo magico, risultante da due modelli simili sovrapposti in cui uno è leggermente ruotato o sfalsato.

I ricercatori hanno quindi simulato il movimento delle onde sonore all'interno dell'array. Hanno scoperto che quando le onde si propagavano tra le piastre a determinati angoli di torsione, energia acustica concentrata attorno a specifiche aree del motivo Moiré in cui i fori sugli strati superiore e inferiore sono allineati. Questo comportamento, i ricercatori hanno detto, rispecchiava il comportamento degli elettroni nel grafene ad angolo magico su scala atomica.

"Gli elettroni che si muovono attraverso materiali come il grafene sono matematicamente simili alle onde acustiche che si muovono nell'aria tra strutture ripetitive, " disse Yuanchen Deng, dottorando in acustica.

Queste somiglianze possono aiutare i ricercatori a esplorare teoricamente ulteriori applicazioni del grafene ad angolo magico convenzionale senza le restrizioni che derivano dalla sperimentazione su di esso, ha detto la squadra. Il loro sistema acustico sarebbe più facile da fabbricare in laboratorio perché non è progettato su scala nanometrica, Jing ha detto, e la torsione sarebbe più facile da controllare date le dimensioni maggiori del campione.

I ricercatori hanno anche scoperto che la loro configurazione ha creato nuove possibilità per esplorare angoli magici, per i quali la ricerca esistente si è concentrata su piccoli angoli inferiori a tre gradi. I ricercatori potrebbero manipolare la distanza tra le piastre di grafene per controllare l'angolo magico, qualcosa di estremamente difficile per il grafene ad angolo magico su scala nanometrica. I ricercatori hanno scoperto che il loro sviluppo ha prodotto un numero molto maggiore di angoli magici di quanto si pensasse in precedenza.

"Con un angolo di torsione più ampio, possiamo ridurre le dimensioni della struttura, " ha detto Jing. "I campioni saranno più facili da simulare ed eventualmente fabbricare".

La concentrazione di energia delle onde in determinate posizioni della matrice acustica di grafene potrebbe avere applicazioni per la raccolta di energia. Se le lastre di grafene sono progettate per essere piezoelettriche nelle regioni in cui l'energia acustica è confinata, potrebbero convertire l'energia meccanica dalle vibrazioni delle onde acustiche in energia elettrica. Con ulteriori ricerche, il grafene ad angolo magico acustico potrebbe diventare adatto per raccogliere energia in una varietà di scenari.

I ricercatori hanno in programma di esaminare ulteriori possibilità per il grafene ad angolo magico acustico e di espandere la loro ricerca in aree riguardanti diversi tipi di onde.

"Portare questa configurazione a doppio strato nella scala macroscopica, puoi sperimentare diverse strutture e onde, " Ha detto Deng. "Il nostro sistema è acustico ma può fornire feedback per qualsiasi sistema utilizzando funzioni matematiche simili alle equazioni d'onda".