En un nuevo estudio publicado recientemente en el European Physical Journal E , Onuttom Narayan y Harsh Mathur, físicos teóricos de la Universidad de California en Santa Cruz y la Universidad Case Western Reserve, respectivamente, arrojan luz sobre la propagación del sonido a través de materiales granulares particularmente cerca de lo que se llama "la transición de interferencia".

Comprender las propiedades de la materia granular es importante para muchas aplicaciones industriales prácticas. Sorprendentemente, el problema de las vibraciones acústicas en la materia granular ha sido recientemente un tema de discusión en la cultura pop:la recién estrenada película "Dune" ha generado un debate sobre si el sonido puede propagarse a través de la arena (puede hacerlo).

La extrañeza de la materia granular se puede comprobar contemplando un montón de arroz. Si empujas suavemente un montón de arroz, parece sólido. Pero si coges un poco de arroz y lo dejas escapar de tu mano, se derrama como un líquido. Por tanto, un montón de arroz no es ni sólido ni líquido. Es un material granular que debe entenderse en sus propios términos.

Para comprender la transición del atasco, imagine verter granos de café a través de un embudo con una boquilla estrecha. Si los granos se vierten lentamente, fluirán a través de la boquilla, pero si se vierten muchos granos rápidamente en el embudo, el flujo se atascará. La transición de atasco se produce a medida que aumenta el caudal:el material pasa abruptamente de un estado fluido a uno atascado.

En el laboratorio, los investigadores suelen estudiar paquetes de perlas de poliestireno que son más susceptibles a la experimentación que los granos de café. Se ha descubierto que tales paquetes de perlas sufren vibraciones acústicas en un conjunto de frecuencias características. Este conjunto de frecuencias características se denomina espectro del paquete de perlas. El espectro varía de un paquete de perlas a otro, por lo que el problema es desarrollar una comprensión estadística de los tipos de espectros que pueden surgir.

Basándose en importantes trabajos previos de muchos investigadores, especialmente Yaroslav Beltukov (Instituto Ioffe en Rusia) y Giorgio Parisi (Universidad Sapienza de Roma), Narayan y Mathur muestran que hay ciertas características estadísticas de los espectros que son universales, mientras que otras características no lo son. universal. En este contexto, universal se refiere a características que serían compartidas por las frecuencias vibratorias de cualquier sistema suficientemente complejo; no universal a características específicas de materia granular atascada.

Narayan y Mathur muestran que las características universales de los espectros se describen mediante la teoría de matrices aleatorias, una rama de las matemáticas desarrollada por los físicos nucleares en los años cincuenta. La posibilidad de que la teoría de matrices aleatorias pueda ser aplicable a las vibraciones de la materia granular tiene importantes precursores. Pero en el nuevo trabajo, se demuestra de manera convincente por primera vez que los espectros se describen mediante un tipo particular de teoría de matrices aleatorias llamado conjunto de Laguerre.

Narayan y Mathur también han desarrollado un modelo de vibraciones de materia granular atascada que puede explicar algunas de las características no universales de los espectros. Este modelo se parece mucho a un modelo desarrollado por Narayan hace muchos años cuyo objetivo era resolver otro importante enigma sobre la materia granular:cómo se distribuye la tensión en paquetes de perlas que se comprimen.

Encontrar una descripción unificada de diferentes fenómenos es un objetivo importante de la física fundamental. Un objetivo importante para el trabajo futuro es fusionar los dos modelos relacionados en una descripción unificada de las distribuciones de tensión y los espectros vibratorios.

La materia granular es un recordatorio, dijeron Mathur y Narayan, de que no sólo hay que mirar al mundo subatómico o al universo a escala cosmológica para encontrar importantes problemas fundamentales sin resolver. Se pueden encontrar problemas igualmente desafiantes y significativos en el mundo cotidiano que nos rodea.