Usando uma rede de nano cordas vibratórias controladas com luz, pesquisadores da AMOLF fizeram as ondas sonoras se moverem em uma direção específica irreversível e atenuaram ou amplificaram as ondas de maneira controlada pela primeira vez. Isso dá origem a um efeito de laser para o som. Para sua surpresa, eles descobriram novos mecanismos, chamados de "fases geométricas", com os quais podem manipular e transmitir som em sistemas onde isso era considerado impossível. "Isso abre caminho para novos tipos de (meta)materiais com propriedades que ainda não conhecemos dos materiais existentes", diz o líder do grupo Ewold Verhagen que, juntamente com os primeiros autores compartilhados Javier del Pino e Jesse Slim, publica os resultados surpreendentes em 2 de junho na Natureza .
A resposta de elétrons e outras partículas carregadas a campos magnéticos leva a muitos fenômenos únicos em materiais. "Durante muito tempo, queríamos saber se um efeito semelhante a um campo magnético nos elétrons poderia ser alcançado no som, que não tem carga", diz Verhagen. "A influência de um campo magnético sobre os elétrons tem um grande impacto:por exemplo, um elétron em um campo magnético não pode se mover no mesmo caminho na direção oposta. Esse princípio está na base de vários fenômenos exóticos na escala nanométrica, como como o efeito Hall quântico e o funcionamento de isolantes topológicos (materiais que conduzem corrente perfeitamente em suas bordas e não em seu volume). simetria de sua propagação, então não é mais simétrica de reversão de tempo."

Campo magnético para som

Ao contrário dos elétrons, as vibrações mecânicas não têm carga e, portanto, não respondem aos campos magnéticos. No entanto, eles são sensíveis à pressão de radiação da luz. O grupo de Verhagen, portanto, usou a luz do laser para influenciar os nano-ressonadores mecânicos. Em 2020, eles usaram essas mesmas cordas vibrantes para demonstrar que a simetria de reversão de tempo poderia ser quebrada para o som que pula de um ressonador para outro:a transferência de som de uma corda para outra é diferente da direção oposta. Veja também a notícia de 3 de fevereiro de 2020. “Mostramos agora que, se fizermos uma rede de várias nanocordas vibrantes, podemos realizar uma série de padrões vibratórios não convencionais iluminando as cordas com luz laser”, afirma Verhagen. "Por exemplo, conseguimos fazer com que as partículas sonoras (fônons) se movessem em uma única direção da mesma maneira que os elétrons no efeito Hall quântico".

Amplificação

Os pesquisadores perceberam que também poderiam usar a pressão de radiação para controlar a amplificação e atenuação do som. "Isso funciona de maneira semelhante a uma criança em um balanço estendendo ou puxando as pernas para trás no momento certo", explica Verhagen. "Tal amplificação ou atenuação não é possível para elétrons em um campo magnético."

Os pesquisadores foram os primeiros a realizar experimentos nos quais a luz de direção amplifica as ondas sonoras e, ao mesmo tempo, garante que elas experimentem um efeito semelhante ao de um campo magnético. "Descobrimos que a combinação de amplificação e quebra da simetria de reversão de tempo leva a uma série de efeitos físicos novos e inesperados", diz Verhagen. "Em primeiro lugar, a luz do laser determina a direção em que o som é amplificado. Na outra direção, o som é bloqueado. Isso é causado por uma fase geométrica:uma quantidade que indica a extensão em que a onda sonora é deslocada passa pela rede de nano-cordas, que neste caso é causada pela pressão de radiação.Nosso experimento nos permitiu controlar e alterar totalmente essa fase geométrica.Além disso, usamos a pressão de radiação da luz do laser para amplificar o som. Esse som pode até começar a oscilar espontaneamente, como a luz de um laser. Descobrimos que a fase geométrica que aplicamos determina se isso acontece ou não, e com que intensidade de amplificação."

Novos materiais

Os pesquisadores descobriram que novas fases geométricas poderiam ser realizadas em sistemas onde isso não era considerado possível. Em todos estes, as fases influenciam a amplificação, direção e tom das ondas sonoras. “As fases geométricas são importantes em muitos ramos da física, descrevendo o comportamento de diferentes sistemas e materiais. temos é algo que ainda precisamos aprender, mas sabemos que isso não será parecido com nada que conhecemos", afirma Verhagen. "Poderíamos investigar ainda mais os efeitos ligando mais nano-cordas em 'metamateriais' acústicos que controlamos com a luz. Mas os efeitos que observamos devem se aplicar a uma série de ondas sem carga, incluindo luz, microondas, átomos frios, etc. cetera. Esperamos que, com os novos mecanismos que descobrimos, seja possível produzir novos (meta)materiais com propriedades que ainda não conhecemos dos materiais existentes."

Tais materiais e sistemas têm propriedades incomuns que podem ter aplicações úteis. Verhagen:"Ainda é muito cedo para fornecer uma visão geral completa das possibilidades. No entanto, já podemos reconhecer algumas direções potenciais. Por exemplo, um amplificador unidirecional para ondas poderia ter aplicações úteis na comunicação quântica. Também poderíamos fazer sensores muito mais sensível quebrando a simetria de reversão do tempo." + Explorar mais

As vibrações em um chip sentem um campo magnético