Em um avanço para a física e engenharia, pesquisadores da Photonics Initiative no Advanced Science Research Center do The Graduate Center, CUNY (CUNY ASRC) e da Georgia Tech apresentaram a primeira demonstração de ordem topológica baseada em modulações de tempo. Esse avanço permite que os pesquisadores propaguem ondas sonoras ao longo dos limites dos metamateriais topológicos sem o risco de as ondas viajarem para trás ou serem impedidas por defeitos do material.

As novas descobertas, que aparecem no jornal Avanços da Ciência , vai abrir o caminho para mais barato, dispositivos mais leves que usam menos bateria, e que podem funcionar em ambientes hostis ou perigosos. Andrea Alù, diretor fundador da CUNY ASRC Photonics Initiative e Professor de Física no The Graduate Center, CUNY, e o associado de pesquisa de pós-doutorado Xiang Ni foram os autores do artigo, junto com Amir Ardabi e Michael Leamy da Georgia Tech.

O campo da topologia examina as propriedades de um objeto que não são afetadas por deformações contínuas. Em um isolante topológico, correntes elétricas podem fluir ao longo dos limites do objeto, e esse fluxo resiste a ser interrompido pelas imperfeições do objeto. O progresso recente no campo dos metamateriais estendeu esses recursos para controlar a propagação do som e da luz seguindo princípios semelhantes.

Em particular, trabalhos anteriores dos laboratórios de Alù e do professor de física do City College de Nova York Alexander Khanikaev usaram assimetrias geométricas para criar ordem topológica em metamateriais acústicos impressos em 3-D. Nestes objetos, ondas sonoras foram mostradas para serem confinadas a viajar ao longo das bordas do objeto e em torno de cantos agudos, mas com uma desvantagem significativa:essas ondas não eram totalmente restritas - elas podiam viajar para frente ou para trás com as mesmas propriedades. Este efeito limitou inerentemente a robustez geral desta abordagem para a ordem topológica do som. Certos tipos de desordem ou imperfeições refletem de fato para trás o som que se propaga ao longo dos limites do objeto.

Esta última experiência supera este desafio, mostrando aquela quebra de simetria de reversão de tempo, ao invés de assimetrias geométricas, também pode ser usado para induzir ordem topológica. Usando este método, a propagação do som torna-se verdadeiramente unidirecional, e fortemente robusto à desordem e imperfeições

"O resultado é um avanço para a física topológica, como fomos capazes de mostrar a ordem topológica emergente das variações de tempo, o que é diferente, e mais vantajoso, do que o grande corpo de trabalho em acústica topológica com base em assimetrias geométricas, "Alù disse." As abordagens anteriores exigiam inerentemente a presença de um canal para trás através do qual o som pudesse ser refletido, que inerentemente limitou sua proteção topológica. Com modulações de tempo, podemos suprimir a propagação para trás e fornecer uma proteção topológica forte. "

Os pesquisadores projetaram um dispositivo feito de uma série de ressonadores piezoelétricos circulares dispostos em hexágonos repetidos, como uma rede de favo de mel, e ligado a um disco fino de ácido polilático. Eles então conectaram isso a circuitos externos, que fornecem um sinal modulado no tempo que quebra a simetria da reversão no tempo.

Como um bônus, seu design permite a programação. Isso significa que eles podem guiar as ondas ao longo de uma variedade de caminhos reconfiguráveis ​​diferentes, com perda mínima. Imagem de ultrassom, sonar, e os sistemas eletrônicos que usam a tecnologia de ondas acústicas de superfície podem se beneficiar deste avanço, Alù disse.