La reciprocidad no siempre es buena.

En física, por ejemplo, se trata de ondas electromagnéticas y acústicas. La idea es que las ondas viajan de la misma manera hacia atrás que hacia adelante. Lo cual está bien, excepto que las olas encuentran obstáculos (rascacielos, viento, personas) que les hacen perder energía.

Pero, ¿y si pudieras romper esa regla y guiar olas alrededor de esos obstáculos? ¿O un objeto ha absorbido completamente la onda en una dirección específica? Tales funcionalidades podrían alterar la forma electrónica, Se diseñan y utilizan dispositivos fotónicos y acústicos.

Los ingenieros de la Universidad de Buffalo han dado un paso en esta dirección. Trabajando en un campo emergente conocido como "metamateriales que varían en el espacio-tiempo, "Los ingenieros han demostrado la capacidad de romper la reciprocidad en ondas acústicas.

Un estudio que describe su trabajo, que cuenta con el apoyo de la National Science Foundation, fue publicado el 14 de febrero en Revisión física aplicada letras, una revista publicada por la American Physical Society.

"Hemos demostrado experimentalmente que es posible romper la reciprocidad en ondas acústicas con propiedades materiales que cambian simultáneamente en el tiempo y el espacio, "dice el investigador principal del proyecto, Mostafa Nouh, Doctor., profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas.

Los coautores son M. Ali Attarzadeh y Jesse Callanan, ambos Ph.D. candidatos en el laboratorio de Nouh.

Para realizar los experimentos, Nouh y los estudiantes construyeron una viga que consta de un termoplástico común (acrilonitrilo butadieno estireno, o ABS) barra equipada con 20 resonadores de aluminio, cada uno con forma de rectángulo.

Los motores permiten a los ingenieros programar cada resonador, que se agrupan en pares de cuatro, para girar en intervalos de ángulo de 45 grados. Por ejemplo, el primer resonador está a 0 grados, el segundo a 45 grados, el tercero a 90 grados y el cuarto a 135 grados. El siguiente grupo de cuatro sigue el mismo patrón, etcétera.

El giro es una función del espacio (los intervalos de 45 grados) y del tiempo (los milisegundos entre sus orientaciones angulares). De ahí el nombre, metamateriales que varían en el espacio-tiempo.

Cuando se activa, los resonadores giratorios parecen pistones de automóviles que giran en lugar de bombear hacia arriba y hacia abajo. Que estan haciendo sin embargo, está cambiando la "rigidez, "que es su resistencia a deformarse por una fuerza aplicada.

Antes de probar la viga, el equipo realizó simulaciones por computadora que predijeron que la reciprocidad se rompería con variaciones muy rápidas de rigidez. En otras palabras, cuanto más rápido giran los resonadores, más probable es que puedan romper la reciprocidad.

Entonces los ingenieros pusieron los motores en marcha hasta 2, 000 revoluciones por minuto (rpm). Para ver si esto fue lo suficientemente rápido, los ingenieros enviaron vibraciones (una onda acústica) a través del haz a través de un actuador piezoeléctrico. Usando un vibrómetro Doppler láser de escaneo, así como una cámara termográfica (para garantizar que las ligeras fluctuaciones de temperatura no influyen en el experimento), Nouh y los estudiantes encontraron que el patrón en el que la onda regresó a su origen difería ampliamente de su curso inicial.

"Esto es evidencia de que la onda actúa de manera no recíproca, "dice Callanan.

En otra prueba, con los resonadores girando solo a 100 rpm, la rigidez de la viga apenas se movió. Nouh y los estudiantes encontraron que la ola regresó a su punto de origen de la misma manera que se fue, indicando que la reciprocidad no se rompió.

"Los experimentos no solo demuestran nuestra capacidad para romper la reciprocidad de las ondas acústicas, pero confirme nuestra hipótesis de que tal rotura depende de la velocidad de las modulaciones de rigidez a través de la acción de giro, "dice Attarzadeh.

La capacidad de manipular ondas de esta manera, una primera prueba de concepto de este tipo, tiene muchos usos posibles. Por ejemplo, podría construir una pared que permita que el sonido pase fácilmente en una dirección pero no en la opuesta. Podría mejorar la forma en que los vehículos autónomos se comunican entre sí. Podría aumentar la resolución de las imágenes médicas a través de ultrasonido, que típicamente sufre de una limitación llamada "artefactos de reflexión" que pueden llevar a los médicos a malinterpretar las imágenes.

Pero Nouh advierte que el logro del laboratorio aún no está listo para su comercialización. Por ejemplo, la viga que construyó el equipo es grande y debería reducirse, probablemente a través de impresión 3D u otras herramientas de nanofabricación. También, los materiales que utilizó el equipo se calientan demasiado rápido. Para superar esto, Es probable que se necesiten materiales más avanzados y costosos.