Le onde acustiche in gas, liquidi e solidi di solito hanno una velocità del suono quasi costante. Fanno eccezione i cosiddetti rotoni: la velocità del suono cambia notevolmente con la lunghezza d’onda e sono possibili anche onde che viaggiano all’indietro. I ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) stanno lavorando sull’utilizzo di rotoni in materiali artificiali . Questi metamateriali, progettati al computer e prodotti con stampa laser 3D ultra precisa, potrebbero in futuro manipolare o dirigere il suono in modi senza precedenti. Gli scienziati stanno attualmente riportando il loro lavoro su Nature Communications.
I rotoni sono quasiparticelle, il che significa che si comportano in modo simile alle particelle libere. A differenza delle normali onde acustiche nei gas, liquidi e solidi, la velocità del suono cambia significativamente con la lunghezza d’onda. Inoltre, ci sono tre diverse onde parziali per determinate frequenze.
“La più lenta di esse è un’onda all’indietro: il flusso di energia e i fronti d’onda corrono in direzioni esattamente opposte”, spiega il professor Martin Wegener dell’Institute for Applied Physics (APH) e dell’Institute for Nanotechnology (INT) al KIT.
Comprendere e utilizzare quasiparticelle come i rotoni è una delle grandi sfide della fisica quantistica. Il fisico Lew Landau, premio Nobel nel 1962 per il suo lavoro pionieristico, lo predisse in relazione alla superfluidità, uno stato in cui un liquido perde il suo attrito interno e acquisisce una conduttività termica quasi ideale. Finora, i rotoni potevano essere osservati solo in speciali condizioni fisiche quantistiche a temperature molto basse, e quindi sfuggivano all’uso tecnico.
Rotoni senza effetti quantistici
Nel cluster di eccellenza 3D Matter Made to OrderAl KIT e all’Università di Heidelberg, un gruppo di ricercatori sta lavorando su metamateriali che, per così dire, generano rotoni. I metamateriali hanno proprietà ottiche, acustiche, elettriche o magnetiche che non si verificano in natura. Gli scienziati propongono un tale materiale artificiale che mostra i rotoni senza effetti quantistici in condizioni ambientali normali e a frequenze o lunghezze d’onda quasi liberamente selezionabili. Ciò potrebbe consentire in futuro di manipolare meglio le onde sonore nell’aria o nei materiali, ad esempio respingendole, reindirizzandole o generando echi. Questi materiali non sono ancora stati dimostrati sperimentalmente; tuttavia, dovrebbe essere possibile produrli utilizzando, ad esempio, la stampa laser 3D ultra precisa.
“Nel frattempo abbiamo anche realizzato alcuni di questi metamateriali”, riferisce il professor Martin Wegener. “Stiamo attualmente lavorando intensamente sul rilevamento sperimentale diretto dei rotoni”.
La stampa 3D come porta dal mondo digitale a quello fisico
I ricercatori sono giunti alla progettazione virtuale assistita da computer di materiali con tali nuove proprietà attraverso una combinazione di riflessioni, molte discussioni, simulazioni numeriche e ottimizzazioni, come afferma il dott. Yi Chen riferisce, il primo autore della pubblicazione, il cui lavoro come borsista post-dottorato presso il KIT è finanziato dalla Fondazione Alexander von Humboldt ed è anche integrato nel programma Helmholtz “Material Systems Engineering” , lanciato nel 2021 .
“In generale, abbiamo il sogno di progettare materiali al computer e poi tradurli direttamente in realtà, senza anni di tentativi ed errori. La stampa 3D è quindi, per così dire, solo un convertitore automatizzato dal mondo digitale a quello fisico “, spiega il professor Martin Wegener.
Maggiori informazioni sul lavoro scientifico possono essere trovate nel documento ” Relazioni di dispersione acustica Roton-like in 3D metamaterials ” (DOI: 10.1038 / s41467-021-23574-2), pubblicato da Nature Communications. Gli autori sono Yi Chen, Muamer Kadic e Martin Wegener.
