Topologia dei materiali e propagazione del suono

Sperimentata per la prima volta la possibilità di ottenere, per le onde sonore, un ordine topologico da modulazioni temporali, piuttosto che da asimmetrie geometriche

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Un gruppo di ricercatori della Photonic Initiative, presso l’Advanced Science Research Center del CUNY Graduate Center di New York, e della Georgia Tech, hanno portato una rilevante svolta nel campo della fisica e dell’ingegneria, dimostrando per la prima volta la creazione di un ordine topologico basato sulle modulazioni del tempo.

Questa innovazione permette ai ricercatori di far propagare le onde sonore lungo i contorni di metamateriali topologici, senza il rischio che le onde tornino indietro o siano ostacolate da difetti del materiale stesso.


La nuova scoperta, pubblicata nella rivista Science Advances, potrà aprire la strada per la realizzazione di dispositivi, meno costosi e più leggeri, che utilizzano meno batterie e che possono funzionare anche in ambienti difficili e pericolosi.

La topologia esamina quelle proprietà di un oggetto che non sono affette da deformazioni continue. In un isolante topologico, le correnti elettriche possono fluire lungo i bordi dell’oggetto, e tale flusso non viene alterato o interrotto dalle imperfezioni dell’oggetto. I recenti progressi nel campo dei metamateriali, sulla base di simili principi fisici, hanno esteso queste caratteristiche al controllo della propagazione del suono e della luce.

Nei laboratori del CUNY Graduate Center, già prima di questo lavoro, erano state utilizzate le asimmetrie geometriche per implementare un definito ordine topologico in metamateriali acustici, creati con stampanti in 3D.

Fu dimostrato che in questi particolari oggetti, le onde sonore potevano essere vincolate a viaggiare lungo i bordi dell’oggetto, e attorno a delle spigolosità, ma con una problematica di non poco conto: queste onde non erano completamente vincolate – essere potevano viaggiare avanti e indietro mantenendo sempre le stesse proprietà.

A causa di questo effetto, l’approccio per la determinazione di un ordine topologico per il suono ha subito delle forti limitazioni. Infatti, alcuni tipi di disordine o di imperfezioni potevano determinare la retroriflessione del suono che si propaga lungo i bordi dell’oggetto.

Quest’ultimo esperimento supera questo inconveniente, mostrando che, per indurre un ordine topologico, piuttosto che le asimmetrie geometriche, è possibile utilizzare la rottura della simmetria di inversione temporale. Attraverso questo metodo, la propagazione del suono diventa veramente unidirezionale, e altamente resistente al disordine e alle imperfezioni della materia.

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Uno dei componenti del gruppo di ricerca, Prof. Alù, afferma che sicuramente si è trattato di una svolta storica per la fisica topologica, perché si è riusciti a mostrare che un ordine topologico può derivare da variazioni temporali; il che è molto differente, e soprattutto più vantaggioso, rispetto alla mole di lavoro condotto finora sull’acustica topologica basata sulle asimmetrie geometriche.

I metodi di studio precedenti richiedevano la presenza di un canale di ritorno attraverso il quale il suono potesse essere riflesso, il che ovviamente andava a limitare la loro protezione topologica. Con le modulazioni temporali si può sopprimere la propagazione di ritorno e fornire quindi una più robusta protezione topologica.

I ricercatori hanno progettato un dispositivo costituito da un insieme di risonatori piezoelettrici circolari, disposti in cicli di esagoni, come un reticolo a nido d’ape, e legati a un sottile disco di poliacido lattico (poliattato). Questi risonatori sono quindi connessi a circuiti esterni, che producono un segnale modulato nel tempo, il quale rompe la simmetria di inversione temporale.

Inoltre, il dispositivo progettato può essere programmabile. In questo modo, i ricercatori possono veicolare le onde lungo una varietà di differenti percorsi riconfigurabili, con perdite minime. Secondo gli autori della ricerca, questi risultati possono apportare notevoli benefici alle tecniche di imaging a ultrasuoni, ai sonar e a tutti quei sistemi che utilizzano le tecnologie delle onde acustiche su superficie.