Utilizando una red de nanocuerdas vibrantes controladas con luz, los investigadores de AMOLF han hecho que las ondas de sonido se muevan en una dirección irreversible específica y atenuadas o amplificadas de manera controlada por primera vez. Esto da lugar a un efecto láser para el sonido. Para su sorpresa, descubrieron nuevos mecanismos, las llamadas "fases geométricas", con los que pueden manipular y transmitir sonido en sistemas donde se pensaba que eso era imposible. "Esto abre el camino a nuevos tipos de (meta)materiales con propiedades que aún no conocemos de los materiales existentes", dice el líder del grupo Ewold Verhagen quien, junto con los primeros autores compartidos Javier del Pino y Jesse Slim, publica los sorprendentes resultados en 2 de junio en Naturaleza .

La respuesta de los electrones y otras partículas cargadas a los campos magnéticos conduce a muchos fenómenos únicos en los materiales. “Durante mucho tiempo hemos querido saber si un efecto similar a un campo magnético en los electrones podría lograrse en el sonido, que no tiene carga”, dice Verhagen. "La influencia de un campo magnético sobre los electrones tiene un gran impacto:por ejemplo, un electrón en un campo magnético no puede moverse por el mismo camino en la dirección opuesta. Este principio se encuentra en la base de varios fenómenos exóticos a escala nanométrica, como como el efecto Hall cuántico y el funcionamiento de los aisladores topológicos (materiales que conducen la corriente perfectamente en sus bordes y no en su volumen).Para muchas aplicaciones, sería útil si pudiéramos lograr lo mismo para las vibraciones y las ondas sonoras y por lo tanto romper el simetría de su propagación, por lo que ya no es simétrico en el tiempo".

Campo magnético para sonido

A diferencia de los electrones, las vibraciones mecánicas no tienen carga, por lo que no responden a los campos magnéticos. Sin embargo, son sensibles a la presión de radiación de la luz. Por lo tanto, el grupo de Verhagen utilizó la luz láser para influir en los nanorresonadores mecánicos. En 2020, usaron estas mismas cuerdas vibrantes para demostrar que la simetría de inversión de tiempo podría romperse para el sonido que salta de un resonador a otro:la transferencia de sonido de una cuerda a otra es diferente que en la dirección opuesta. Véase también la noticia del 3 de febrero de 2020. "Ahora hemos demostrado que si creamos una red de múltiples nanocuerdas vibrantes, podemos realizar una gama de patrones vibratorios no convencionales al iluminar las cuerdas con luz láser", afirma Verhagen. "Por ejemplo, logramos que las partículas de sonido (fonones) se movieran en una sola dirección de la misma manera que los electrones en el efecto Hall cuántico".

Amplificación

Los investigadores se dieron cuenta de que también podían usar la presión de radiación para controlar la amplificación y atenuación del sonido. "Eso funciona de manera similar a un niño en un columpio que extiende o tira hacia atrás las piernas en el momento adecuado", explica Verhagen. "Dicha amplificación o atenuación no es posible para los electrones en un campo magnético".

Los investigadores fueron los primeros en realizar experimentos en los que la luz de conducción amplifica las ondas de sonido y, al mismo tiempo, se asegura de que estas experimenten un efecto similar al de un campo magnético. "Descubrimos que la combinación de amplificación y la ruptura de la simetría de inversión del tiempo conduce a una variedad de efectos físicos nuevos e inesperados", dice Verhagen. "En primer lugar, la luz láser determina la dirección en la que se amplifica el sonido. En la otra dirección, el sonido se bloquea. Esto es causado por una fase geométrica:una cantidad que indica la medida en que la onda de sonido se desplaza a medida que avanza". pasa a través de la red de nano-cuerdas, que en este caso es causada por la presión de radiación. Nuestro experimento nos permitió controlar y alterar completamente esa fase geométrica. Además, usamos la presión de radiación de la luz láser para amplificar el sonido. Ese sonido puede incluso comenzar a oscilar espontáneamente, como la luz en un láser. Descubrimos que la fase geométrica que aplicamos determina si eso sucede o no, y con qué fuerza de amplificación".

Nuevos materiales

Los investigadores descubrieron que se podían realizar nuevas fases geométricas en sistemas en los que eso no se consideraba posible. En todos estos, las fases influyen en la amplificación, dirección y tono de las ondas sonoras. "Las fases geométricas son importantes en muchas ramas de la física y describen el comportamiento de diferentes sistemas y materiales. Cuando se combinan con campos magnéticos, pueden conducir a un aislante topológico para electrones, pero cuyas propiedades podrían ser una variante de 'sonido' basada en los principios descubiertos. tenemos es algo que todavía tenemos que aprender. Sin embargo, sabemos que esto no será similar a nada de lo que conocemos", afirma Verhagen. "Podríamos investigar más a fondo los efectos al vincular más nano-cuerdas en 'metamateriales' acústicos que controlamos con la luz. Pero los efectos que hemos observado deberían aplicarse a una variedad de ondas sin carga, incluida la luz, las microondas, los átomos fríos, etc. cetera. Esperamos que con los nuevos mecanismos que hemos descubierto, será posible producir nuevos (meta) materiales con propiedades que aún no conocemos de los materiales existentes".

Dichos materiales y sistemas tienen propiedades inusuales que podrían tener aplicaciones útiles. Verhagen:"Todavía es demasiado pronto para proporcionar una visión general completa de las posibilidades. Sin embargo, ya podemos reconocer algunas direcciones potenciales. Por ejemplo, un amplificador unidireccional para ondas podría tener aplicaciones útiles en la comunicación cuántica. También podríamos hacer sensores mucho más sensible al romper la simetría de inversión del tiempo". + Explora más

Las vibraciones en un chip sienten un campo magnético