A perda de energia devido à dispersão de defeitos de material é conhecida por definir limites no desempenho de quase todas as tecnologias que empregamos para comunicações, cronometragem, e navegação. Em giroscópios e acelerômetros micro-mecânicos, como aqueles comumente encontrados em telefones celulares hoje, desordem microestrutural afeta o desvio de medição e a precisão geral do sensor, análogo a como uma corda de violino suja pode afetar o prazer de alguém com uma bela música. Em sistemas de comunicação de fibra óptica, a dispersão de defeitos de material pode reduzir a fidelidade dos dados em longas distâncias, reduzindo assim a largura de banda alcançável. Uma vez que materiais livres de defeitos não podem ser obtidos, como podemos melhorar os limites tecnológicos fundamentais impostos pela desordem?

Uma colaboração de pesquisa entre a Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, e a Universidade de Maryland revelou uma nova técnica pela qual a dispersão de ondas sonoras de desordem em um material pode ser suprimida sob demanda. Tudo isso, pode ser alcançado simplesmente iluminando com a cor apropriada de luz laser. O resultado, que é publicado em Nature Communications , pode ter um impacto abrangente sobre sensores e sistemas de comunicação.

Gaurav Bahl, um professor assistente de ciência mecânica e engenharia, e sua equipe de pesquisa tem estudado a interação da luz com o som em micro-ressonadores de estado sólido. Este novo resultado é o culminar de uma série de experimentos realizados por sua equipe ao longo dos últimos anos, e uma nova questão científica colocada no lugar certo.

"Os ressonadores podem ser considerados câmaras de eco para som e luz, e podem ser tão simples como bolas de vidro microesféricas como as que usamos em nosso estudo, "Bahl explicou." Nossa comunidade de pesquisa há muito entendeu que a luz pode ser usada para criar e amplificar ondas sonoras em ressonadores por meio de uma variedade de forças ópticas. Os ecos ressonantes ajudam a aumentar o tempo de interação entre os sons, luz, e desordem material, tornando esses efeitos sutis muito mais fáceis de observar e controlar. Uma vez que as interações dentro dos ressonadores não são fundamentalmente diferentes daquelas que ocorrem em qualquer outro sistema, estas podem ser uma plataforma realmente compacta para explorar a física subjacente. "

A chave para suprimir a dispersão da desordem é induzir uma incompatibilidade na propagação entre as direções original e dispersa. Essa ideia é semelhante a como uma corrente elétrica prefere fluir ao longo do caminho de menor resistência, ou como a água prefere fluir por um tubo mais largo do que por um estreito. Para suprimir a dispersão de ondas sonoras que se movem para a frente, deve-se criar uma grande impedância acústica na direção inversa. Essa assimetria para ondas de propagação para frente e para trás é denominada quiralidade do meio. A maioria dos sistemas de estado sólido não tem propriedades quirais, mas essas propriedades podem ser induzidas por campos magnéticos ou por variação espaço-tempo do meio.

"Alguns anos atrás, descobrimos que a quiralidade pode ser induzida por luz usando um fenômeno opto-mecânico, em que a luz se acopla às ondas sonoras em propagação e torna o meio transparente. Nossos experimentos na época mostraram que a transparência óptica induzida só permite que a luz se mova unidirecionalmente, isso é, cria uma impedância óptica preferencialmente baixa em uma direção, "Bahl disse." Foi então que conhecemos nosso colaborador Jacob Taylor, um físico do NIST, que nos fez uma pergunta simples. O que acontece com as ondas sonoras em tal sistema? "

"Nossa modelagem teórica previu que ter um sistema quiral para propagação de som poderia suprimir qualquer retrodifusão que pode ter sido induzida por desordem, "explicou Taylor." Este conceito surgiu do trabalho que temos feito nos últimos anos investigando a proteção topológica para a luz, onde a propagação quiral é um recurso chave para melhorar o desempenho dos dispositivos. Inicialmente, o plano com a equipe de Bahl era apenas mostrar a diferença entre as ondas sonoras que se propagam para frente e para trás, usando um efeito de resfriamento criado pela luz. Mas o sistema nos surpreendeu com um efeito prático ainda mais forte do que o esperado. "

Essa simples pergunta lançou um novo esforço de pesquisa de vários anos em uma direção que não havia sido explorada anteriormente. Trabalhando em estreita colaboração, a equipe descobriu que a dispersão de luz Brillouin, um tipo específico de interação opto-mecânica, também pode induzir quiralidade para ondas sonoras. Entre as ferramentas experimentais no laboratório de Bahl, e os avanços teóricos no laboratório de Taylor, as peças do quebra-cabeça já estavam no lugar.

"Nós preparamos experimentalmente um sistema optomecânico quiral circulando um campo de laser no sentido horário em um ressonador de vidro de sílica. O comprimento de onda do laser, ou cor, foi especialmente arranjado para induzir o amortecimento óptico apenas das ondas sonoras no sentido horário. Isso criou uma grande incompatibilidade de impedância acústica entre as direções de propagação no sentido horário e anti-horário, "explicou Seunghwi Kim, primeiro autor do estudo. "As ondas sonoras que se propagavam no sentido horário tiveram perdas muito altas devido ao efeito de resfriamento opto-mecânico. As ondas sonoras que se moviam no sentido anti-horário podiam se mover livremente. Surpreendentemente, vimos uma grande redução da perda de espalhamento para ondas sonoras no sentido anti-horário, uma vez que essas ondas não podiam mais se espalhar no sentido horário! Em outras palavras, mesmo que a desordem estivesse presente no ressonador, sua ação foi suprimida. "

Assim como o som é o principal método de comunicação de voz entre humanos, ondas eletromagnéticas como rádio e luz são a principal tecnologia usada para comunicações globais. O que essa descoberta pode significar para a indústria de comunicações? Desordem e defeitos de material são sistemas de fibra óptica inevitáveis, resultando em menor fidelidade de dados, erros de bit, e limitações de largura de banda. A equipe acredita que as tecnologias baseadas nesta descoberta podem ser aproveitadas para contornar o impacto de defeitos de material inevitáveis ​​em tais sistemas.

"Já vimos tantos sensores, como aqueles encontrados em seu telefone ou em seu carro, pode ser limitado por defeitos intrínsecos nos materiais, "acrescentou Taylor." A abordagem apresentada aqui fornece um meio simples de contornar esses desafios, e pode até nos ajudar a abordar os limites estabelecidos pela mecânica quântica, em vez de nossos próprios desafios de engenharia. "

As aplicações práticas desse resultado podem demorar muitos anos. A redução das perdas mecânicas também poderia melhorar diretamente os sensores de navegação inercial baseados na mecânica que usamos hoje. Exemplos que encontramos na vida diária são acelerômetros e giroscópios, sem o qual nossos telefones celulares seriam muito menos capazes, e nossos carros e aviões muito menos seguros.