Os físicos da Universidade de Oregon desenvolveram um novo método para manipular o som - pare com isso, inverta isso, armazene-o e até mesmo use-o mais tarde - em estruturas compostas sintéticas conhecidas como metamateriais.

A descoberta foi feita por meio de análises teóricas e computacionais das vibrações mecânicas de placas elásticas finas, que servem como blocos de construção para o projeto proposto. Os físicos, Pragalv Karki e Jayson Paulose, também desenvolveu um modelo mínimo mais simples que consiste em molas e massas demonstrando a mesma capacidade de manipulação de sinal.

"Existem muitos mecanismos que podem guiar ou bloquear a transmissão de ondas sonoras através de um metamaterial, mas nosso design é o primeiro a parar e reverter dinamicamente um pulso de som, "disse Karki, um pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Física e Instituto de Ciências Fundamentais da UO.

A interação entre a rigidez à flexão e a tensão global - dois parâmetros físicos que regem a transmissão do som em placas finas - está no cerne de seu mecanismo de manipulação de sinal. Embora a rigidez à flexão seja uma propriedade do material, a tensão global é um parâmetro controlável externamente em seu sistema.

Karki e Paulose, professor assistente de física e membro do Institute for Fundamental Science, descreveu seu novo mecanismo, que eles chamam de ajuste de dispersão dinâmica, em um artigo publicado online em 29 de março na revista Revisão Física Aplicada .

"Se você jogar uma pedra em um lago, você vê as ondulações, "Karki disse." Mas e se você jogasse a pedra e em vez de ver ondulações se propagando para fora, você apenas visse o deslocamento da água subindo e descendo no ponto de impacto? Isso é semelhante ao que acontece em nosso sistema. "

A capacidade de manipular o som, luz ou quaisquer outras ondas em metamateriais feitos artificialmente é uma área ativa de pesquisa, Karki disse.

Metamateriais ópticos ou fotônicos, que exibem propriedades como um índice de refração negativo não possível com materiais convencionais, foram desenvolvidos inicialmente para controlar a luz de maneiras que poderiam ser usadas para criar capas de invisibilidade e superlentes.

Seu uso está sendo explorado em diversas aplicações, como aeroespacial e defesa, eletrônicos de consumo, dispositivos médicos e captação de energia.

Metamateriais acústicos são geralmente estáticos e imutáveis ​​uma vez produzidos, e ajustar dinamicamente suas propriedades é um desafio contínuo, Karki disse. Outros grupos de pesquisa propuseram várias estratégias para sintonizar a transmissão acústica, variando de designs inspirados em origami a comutação magnética.

"No nosso caso, a capacidade de ajuste vem da capacidade de alterar a tensão das membranas semelhantes a tambores em tempo real, "Karki disse.

Inspiração adicional, Karki e Paulose notaram, veio da pesquisa no laboratório UO do físico Benjamín Alemán. No Nature Communications em 2019, O grupo de Alemán revelou um bolômetro nanomecânico de grafeno, uma membrana semelhante a um tambor que pode detectar cores de luz em altas velocidades e altas temperaturas. A abordagem explora uma mudança na tensão global.

Embora o mecanismo no novo artigo tenha sido identificado teoricamente e precise ser comprovado em experimentos de laboratório, Karki disse, ele está confiante de que a abordagem funcionará.

"Nosso mecanismo de sintonia de dispersão dinâmica é independente de você estar usando acústica, ondas luminosas ou eletrônicas, "Karki disse." Isso abre a possibilidade de manipular sinais em sistemas fotônicos e eletrônicos também. "

Possibilidades, ele disse, incluem processamento e computação de sinal acústico aprimorados. Projetar metamateriais acústicos com base em grafeno, como os desenvolvidos no laboratório de Alemán, pode levar a uma variedade de usos, como computação baseada em ondas, transistores micromecânicos e dispositivos lógicos, guias de ondas e sensores ultra-sensíveis.

"Nosso projeto pode ser construído em microescala com grafeno e em grandes escalas usando folhas de membrana semelhantes a tambores, "Karki disse." Você bate na corrente dos tambores, criando um padrão particular de som que se move em uma direção, mas ao ajustar a tensão da bateria, podemos parar o som e armazená-lo para uso futuro. Ele pode ser revertido ou manipulado em qualquer número de outros padrões. "