A reprodução do áudio gravado do armazenamento digital nos permite desfrutar da música sem a presença física de um instrumento musical para gerar um som ressonante. Em uma área aparentemente não relacionada chamada metamateriais, cientistas projetam diferentes estruturas físicas que também ressoam com som ou luz, para alcançar muitos fenômenos intrigantes, como refração negativa e invisibilidade.

Recentemente, cientistas da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong (HKUST), em colaboração com a Universidade Nacional de Seul na Coréia, perceberam o que chamaram de metamaterial acústico virtualizado, na digitalização de resposta de material a uma resposta de impulso armazenada em um programa de software. Essa representação digital é comum no processamento de sinais para construir filtros, mas agora como uma nova aplicação para a ciência dos materiais. A representação digital substitui as estruturas físicas anteriores, deixando apenas uma coleção de microfones e alto-falantes interconectados com um microprocessador de backend. A resposta ao impulso do metamaterial agora é simplesmente um programa de software para gerar qualquer onda espalhada com uma dispersão de frequência feita sob medida. Como tal, a resposta dos metamateriais pode ser arbitrária e ajustada de forma flexível com um simples clique de botão.

Suas descobertas foram publicadas no jornal Nature Communications em 14 de janeiro, 2020.

"A abordagem atual na pesquisa de metamateriais imita a resposta de átomos naturais por aqueles construídos artificialmente usando estruturas físicas ressonantes. Mas isso sofre por um longo tempo de uma limitação de que a propriedade não pode ser ajustada facilmente em uma ampla faixa e de forma dinâmica, "disse o Prof. Jensen Li Tsan-Hang do Departamento de Física, HKUST, quem liderou a pesquisa. "Isso é particularmente importante para muitas aplicações realistas, como o furto de banda larga, que tem que funcionar em um ambiente dinâmico e rigoroso. "

"Nosso trabalho aborda esse problema e fornece uma abordagem viável para digitalizar a resposta em um programa de software. Uma representação digital de um metamaterial, pegando emprestado um conceito popular de resposta ao impulso no processamento de sinais, a resposta do metamaterial pode ser ajustada e alterada simplesmente com um clique de botão para alterar o programa de software, "Prof. Li disse.

Embora os metamateriais tenham mostrado altos valores comerciais em termos de desempenho superior em isolamento acústico, fazendo meta-lentes compactas, etc, tal tecnologia de virtualização irá adicionar ainda uma grande capacidade de ajuste em termos de funções, atribuindo outro nível de significado para "meta, "e permitindo que os metamateriais façam uma operação furtiva de banda larga, absorção de som ativa, imagem de super-resolução, e além.

"Com a nossa abordagem, podemos facilmente entrar no regime ativo de metamateriais, além da sintonia que mencionamos. Eletrônica externa, em comparação com metamateriais convencionais que consistem em estruturas físicas passivas, sempre pode fornecer energia para os metamateriais, "disse o Prof. Namkyoo Park, do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Nacional de Seul. "Não estamos restritos a metamateriais que só podem ser passivos ou dissipadores de energia; qualquer resposta ativa pode ser especificada facilmente. Provamos isso em nosso trabalho realizando um metamaterial com transmissão amplificada muito maior do que o valor um."

"Ao substituir a estrutura física ressonante por um kernel de convolução matemática projetado por um circuito de processamento de sinal digital rápido, demonstramos um controle desacoplado do módulo de volume efetivo e densidade de massa de metamateriais acústicos sob demanda por meio de uma dispersão de frequência definida por software, "disse o Prof. Li." Fornecendo amplitude reconfigurável por software gratuitamente, freqüência central, e largura de banda de dispersão de frequência, nossa abordagem adiciona uma dimensão adicional à construção não recíproca, não-hermitiano, e sistemas topológicos com capacidade variável no tempo como aplicações potenciais. "

A próxima etapa do grupo de pesquisa envolverá a construção de uma versão muito maior de meta-átomos de um metamaterial, que permitirá aos pesquisadores manipular ainda mais as ondas sonoras com propriedades que vão além da geração atual de metamateriais, como invisibilidade de banda larga, transmissão não recíproca extrema ou isolamento acústico.