Se sabe que la pérdida de energía debida a la dispersión de los defectos materiales establece límites en el rendimiento de casi todas las tecnologías que empleamos para las comunicaciones. momento, y navegación. En giroscopios y acelerómetros micromecánicos, como los que se encuentran comúnmente en los teléfonos móviles en la actualidad, el desorden microestructural impacta la deriva de la medición y la precisión general del sensor, análogo a cómo una cuerda de violín sucia puede afectar el disfrute de una música hermosa. En los sistemas de comunicación de fibra óptica, La dispersión de defectos de material puede reducir la fidelidad de los datos a largas distancias, reduciendo así el ancho de banda alcanzable. Dado que no se pueden obtener materiales libres de defectos, ¿Cómo podemos mejorar los límites tecnológicos fundamentales impuestos por el desorden?

Una colaboración de investigación entre la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, y la Universidad de Maryland ha revelado una nueva técnica mediante la cual la dispersión de ondas sonoras del desorden en un material puede suprimirse a pedido. Todo esto, se puede lograr simplemente iluminando con el color apropiado de luz láser. El resultado, que se publica en Comunicaciones de la naturaleza , podría tener un impacto de amplio alcance en los sensores y los sistemas de comunicación.

Gaurav Bahl, un profesor asistente de ciencias mecánicas e ingeniería, y su equipo de investigación ha estado estudiando la interacción de la luz con el sonido en micro-resonadores de estado sólido. Este nuevo resultado es la culminación de una serie de experimentos realizados por su equipo durante los últimos años. y una nueva pregunta científica planteada en el lugar correcto.

"Se puede pensar en los resonadores como cámaras de eco para el sonido y la luz, y puede ser tan simple como microesferas de vidrio como las que usamos en nuestro estudio, "Explicó Bahl." Nuestra comunidad de investigadores ha entendido desde hace mucho tiempo que la luz se puede utilizar para crear y amplificar ondas de sonido en resonadores a través de una variedad de fuerzas ópticas. Los ecos resonantes ayudan a aumentar el tiempo de interacción entre el sonido, luz, y desorden material, haciendo que estos efectos sutiles sean mucho más fáciles de observar y controlar. Dado que las interacciones dentro de los resonadores no son fundamentalmente diferentes de las que tienen lugar en cualquier otro sistema, pueden ser una plataforma realmente compacta para explorar la física subyacente ".

La clave para suprimir la dispersión del desorden es inducir un desajuste en la propagación entre las direcciones original y dispersa. Esta idea es similar a cómo una corriente eléctrica prefiere fluir a lo largo del camino de menor resistencia, o cómo el agua prefiere fluir a través de una tubería más ancha en lugar de una estrecha. Para suprimir la retrodispersión de las ondas sonoras que se mueven hacia adelante, uno debe crear una gran impedancia acústica en la dirección hacia atrás. Esta asimetría para las ondas que se propagan hacia adelante y hacia atrás se denomina quiralidad del medio. La mayoría de los sistemas de estado sólido no tienen propiedades quirales, pero estas propiedades pueden inducirse mediante campos magnéticos o mediante la variación espacio-temporal del medio.

"Hace unos pocos años, Descubrimos que se puede inducir la quiralidad de la luz mediante un fenómeno opto-mecánico, en el que la luz se acopla con la propagación de ondas sonoras y hace que el medio sea transparente. Nuestros experimentos en ese momento mostraron que la transparencia óptica inducida solo permite que la luz se mueva unidireccionalmente, es decir, crea una impedancia óptica preferentemente baja en una dirección, "Dijo Bahl." Fue entonces cuando conocimos a nuestro colaborador Jacob Taylor, un físico en NIST, quien nos hizo una pregunta simple. ¿Qué sucede con las ondas sonoras en tal sistema? "

"Nuestro modelo teórico predijo que tener un sistema quiral para la propagación del sonido podría suprimir cualquier retrodispersión que pueda haber sido inducida por el desorden, "explicó Taylor." Este concepto surgió del trabajo que hemos estado haciendo en los últimos años investigando la protección topológica de la luz, donde la propagación quiral es una característica clave para mejorar el rendimiento de los dispositivos. Inicialmente, el plan con el equipo de Bahl era solo mostrar una diferencia entre las ondas sonoras que se propagan hacia adelante y hacia atrás, utilizando un efecto refrescante creado por la luz. Pero el sistema nos sorprendió con un efecto práctico aún más fuerte de lo esperado ".

Esa simple pregunta lanzó un nuevo esfuerzo de investigación de varios años en una dirección que no se había explorado anteriormente. Trabajando en estrecha colaboración, el equipo descubrió que la dispersión de la luz de Brillouin, un tipo específico de interacción opto-mecánica, también podría inducir quiralidad para las ondas sonoras. Entre las herramientas experimentales del laboratorio de Bahl, y los avances teóricos en el laboratorio de Taylor, las piezas del rompecabezas ya estaban en su lugar.

"Preparamos experimentalmente un sistema optomecánico quiral haciendo circular un campo láser en el sentido de las agujas del reloj en un resonador de vidrio de sílice. La longitud de onda del láser, o color, se dispuso especialmente para inducir la amortiguación óptica de ondas sonoras en el sentido de las agujas del reloj. Esto creó un gran desajuste de impedancia acústica entre las direcciones de propagación en sentido horario y antihorario, "explicó Seunghwi Kim, primer autor del estudio. "Las ondas sonoras que se propagaban en el sentido de las agujas del reloj experimentaron pérdidas muy elevadas debido al efecto de enfriamiento opto-mecánico. Las ondas sonoras que se movían en el sentido contrario a las agujas del reloj podían moverse libremente. Sorprendentemente, vimos una gran reducción de la pérdida de dispersión de las ondas sonoras en sentido antihorario, ¡ya que esas ondas ya no podían dispersarse en el sentido de las agujas del reloj! En otras palabras, aunque el desorden estaba presente en el resonador, su acción fue suprimida ".

Así como el sonido es el método principal de comunicación de voz entre humanos, Las ondas electromagnéticas como la radio y la luz son la tecnología principal utilizada para las comunicaciones globales. ¿Qué podría significar este descubrimiento para la industria de las comunicaciones? El desorden y los defectos materiales son sistemas de fibra óptica inevitables, resultando en una menor fidelidad de datos, errores de bits, y limitaciones de ancho de banda. El equipo cree que las tecnologías basadas en este descubrimiento podrían aprovecharse para evitar el impacto de defectos materiales inevitables en dichos sistemas.

"Ya hemos visto tantos sensores, como los que se encuentran en su teléfono o en su automóvil, puede estar limitado por defectos intrínsecos en los materiales, "agregó Taylor." El enfoque que se presenta aquí proporciona un medio simple de sortear esos desafíos, e incluso puede ayudarnos a acercarnos a los límites establecidos por la mecánica cuántica, en lugar de nuestros propios desafíos de ingeniería ".

Las aplicaciones prácticas de este resultado pueden no tardar muchos años. La reducción de las pérdidas mecánicas también podría mejorar directamente los sensores de navegación inercial basados ​​en la mecánica que utilizamos hoy en día. Ejemplos que encontramos en la vida diaria son acelerómetros y giroscopios, sin los cuales nuestros teléfonos móviles serían mucho menos capaces, y nuestros coches y aviones son mucho menos seguros.