Ondas acústicas em gases, líquidos, e os sólidos geralmente viajam a uma velocidade quase constante do som. Os chamados rotons são uma exceção:a velocidade do som muda significativamente com o comprimento de onda, e também é possível que as ondas viajem para trás. Pesquisadores do Karlsruhe Institute of Technology (KIT) estão estudando as possibilidades de uso de rotons em materiais artificiais. Esses metamateriais projetados por computador, produzido por impressão a laser 3D ultra-precisa, pode ser usado no futuro para manipular ou dirigir o som de maneiras que nunca foram possíveis antes. Um relatório sobre o trabalho dos pesquisadores foi publicado em Nature Communications .

Rotons são quasipartículas, o que significa que eles se comportam de forma semelhante às partículas livres. Ao contrário das ondas acústicas comuns em gases, líquidos, e sólidos, a velocidade do som muda significativamente com o comprimento de onda. Além disso, certas frequências geram três ondas parciais diferentes. "O mais lento entre eles é uma onda para trás:o fluxo de energia e as frentes de onda correm em direções exatamente opostas, "explica o professor Martin Wegener do Instituto de Física Aplicada (APH) e do Instituto de Nanotecnologia (INT) do KIT. Compreender e se beneficiar de quasipartículas como os rotons é um dos grandes desafios da física quântica. Físico Lev Landau, que ganhou o Prêmio Nobel em 1962 por seu trabalho inovador, previu sua existência no contexto de superfluidez, uma condição na qual um fluido perde sua fricção interna e se torna termicamente condutor de uma maneira quase ideal. Até agora, rotons só podiam ser observados sob condições físicas quânticas especiais em temperaturas muito baixas - e, portanto, não eram adequados para aplicações técnicas.

Rotons sem quaisquer efeitos quânticos

Isso pode mudar no futuro:no cluster de excelência 3D Matter Made to Order do KIT e da Universidade de Heidelberg, um grupo de pesquisadores está trabalhando em metamateriais que "desenvolvem" rotons. Metamateriais exibem óptica, acústico, elétrico, ou propriedades magnéticas que não são encontradas na natureza. Os cientistas propõem um material artificial que pode produzir rotons sem quaisquer efeitos quânticos em condições ambientais normais e em frequências ou comprimentos de onda quase aleatórios. Assim, pode ser possível, no futuro, manipular melhor as ondas sonoras no ar ou nos materiais, por exemplo, para devolvê-los, redirecioná-los, ou criar ecos. Esses materiais ainda não foram demonstrados experimentalmente; Contudo, deve ser possível produzi-los usando tecnologias como a impressão a laser 3D ultraprecisa. "Nós até fizemos alguns desses metamateriais, entretanto, "Professor Martin Wegener diz." Atualmente, estamos trabalhando intensamente na prova experimental direta para a existência de rotons. "

Impressão 3D - o portal do mundo digital para o mundo físico

Dr. Yi Chen, autor principal da publicação, explica que os pesquisadores confiaram em uma combinação de reflexão, muitas discussões e simulações numéricas e otimizações para conceber o design virtual auxiliado por computador de materiais com essas novas propriedades. Seu trabalho como pesquisador de pós-doutorado no KIT é financiado pela Fundação Alexander von Humboldt e está integrado a um programa Helmholtz intitulado "Engenharia de Sistemas de Materiais" lançado em 2021. "Em geral, nosso sonho é projetar materiais no computador e, em seguida, transformá-los diretamente em realidade - sem anos de tentativa e erro. Portanto, a impressão 3D é apenas um conversor automatizado, por assim dizer, do mundo digital para o físico, "Professor Martin Wegener explica.