Ondas acústicas en gases, líquidos y los sólidos generalmente viajan a una velocidad del sonido casi constante. Los llamados rotones son una excepción:su velocidad de sonido cambia significativamente con la longitud de onda, y también es posible que las ondas viajen hacia atrás. Los investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) están estudiando las posibilidades de utilizar rotones en materiales artificiales. Estos metamateriales diseñados por computadora, producido por impresión láser 3D ultraprecisa, podría usarse en el futuro para manipular o dirigir el sonido de formas que nunca antes habían sido posibles. Se ha publicado un informe sobre el trabajo de los investigadores en Comunicaciones de la naturaleza .

Los rotones son cuasipartículas, lo que significa que se comportan de manera similar a las partículas libres. A diferencia de las ondas acústicas ordinarias en los gases, líquidos y sólidos, la velocidad del sonido cambia significativamente con la longitud de onda. Además, ciertas frecuencias generan tres ondas parciales diferentes. "La más lenta de ellas es una onda hacia atrás:el flujo de energía y los frentes de onda corren en direcciones exactamente opuestas, "explica el profesor Martin Wegener del Instituto de Física Aplicada (APH) y del Instituto de Nanotecnología (INT) de KIT. Comprender y beneficiarse de las cuasipartículas como los rotones es uno de los grandes desafíos de la física cuántica. El físico Lev Landau, quien ganó un Premio Nobel en 1962 por su trabajo pionero, predijo su existencia en el contexto de la superfluidez, una condición en la que un fluido pierde su fricción interna y se vuelve conductor térmico de una manera casi ideal. Hasta ahora, los rotones solo podían observarse en condiciones físicas cuánticas especiales a temperaturas muy bajas y, por lo tanto, no eran adecuados para aplicaciones técnicas.

Rotones sin efectos cuánticos

Esto podría cambiar en el futuro:en el grupo de excelencia 3D Matter Made to Order de KIT y la Universidad de Heidelberg, un grupo de investigadores está trabajando en metamateriales que "hacen crecer" los rotones. Los metamateriales exhiben ópticas, acústico, eléctrico, o propiedades magnéticas que no se encuentran en la naturaleza. Los científicos proponen un material artificial que puede producir rotones sin ningún efecto cuántico en condiciones ambientales normales y en frecuencias o longitudes de onda casi aleatorias. Por lo tanto, podría ser posible en el futuro manipular mejor las ondas sonoras en el aire o en los materiales, por ejemplo, para recuperarlos, redirigirlos, o crear ecos. Estos materiales aún no se han demostrado de forma experimental; sin embargo, Debería ser posible producirlos utilizando tecnologías como la impresión láser 3D ultraprecisa. "Incluso hemos creado algunos de estos metamateriales mientras tanto, "Dice el profesor Martin Wegener." Actualmente, estamos trabajando intensamente en la prueba experimental directa de la existencia de rotones ".

Impresión 3D:la puerta de entrada del mundo digital al físico

Dr. Yi Chen, autor principal de la publicación, explica que los investigadores se basaron en una combinación de reflexión, muchas discusiones y simulaciones numéricas y optimizaciones para idear el diseño virtual asistido por computadora de materiales con propiedades tan novedosas. Su trabajo como investigador postdoctoral en KIT está financiado por la Fundación Alexander von Humboldt y está integrado en un programa de Helmholtz titulado "Ingeniería de sistemas de materiales" lanzado en 2021. "En general, nuestro sueño es diseñar materiales en la computadora y luego convertirlos directamente en realidad, sin años de prueba y error. Entonces, la impresión 3D es solo un convertidor automático, como si fuera, del mundo digital al físico, "Explica el profesor Martin Wegener.