Explorando ondas sonoras que viajam de marcha-a-r

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Materiais Avanados

Redação do Site Inovação Tecnológica – 11/06/2021

Rotons: Explorando ondas sonoras que viajam de marcha-a-r

Os metamateriais para manipular os rotons so mais complexos que aqueles usados para fazer mantos de invisibilidade.
[Imagem: Yi Chen/KIT]

Rotons

As ondas acsticas geralmente viajam a uma velocidade quase constante do som, seja atravessando gases, lquidos ou slidos.

O portador tpico da onda sonora uma quasipartcula chamada fnon – um quantum de vibrao.

Mas existem tambm os rotons, quasipartculas – o que significa que elas se comportam de forma semelhante s partculas livres – que so uma exceo notvel.

Ao contrrio das ondas acsticas comuns, a velocidade do som transportado pelos rotons muda significativamente com o comprimento de onda.

E no s isso: elas podem viajar para trs e certas frequncias podem gerar at trs ondas parciais diferentes.

Rotons na prtica

Compreender e tirar proveito dos rotons um dos desafios que a fsica quntica enfrenta desde que Lev Landau (Prmio Nobel de Fsica em 1962) previu sua existncia no contexto da superfluidez, uma condio na qual um fluido perde seu atrito interno e se torna termicamente condutor de uma forma quase ideal.

De fato, at agora os rotons s haviam sido observados nessas condies especiais, em temperaturas prximas ao zero absoluto – portanto, em condies inadequadas para aplicaes tcnicas.

Mas Yi Chen e seus colegas do Instituto de Tecnologia Karlsruhe, na Alemanha, descobriram agora que pode ser possvel criar e explorar os rotons em condies ambientais usando materiais artificiais.

Esses metamateriais, projetados por computador e produzidos por impresso 3D ou pelas tcnicas da microeletrnica, podero ser usados para manipular ou direcionar o som de maneiras impossveis at agora, da mesma maneira que eles fazem com as ondas de luz, de calor, de terremotos e etc.

Rotons: Explorando ondas sonoras que viajam de marcha-a-r

As “clulas” do material artificial so projetadas de acordo com o que se deseja fazer com as ondas.
[Imagem: Yi Chen et al. – 10.1038/s41467-021-23574-2]

Metamateriais para manipular o som

Os metamateriais so projetados para apresentar propriedades pticas, acsticas, eltricas ou magnticas que no so encontradas na natureza – suas propriedades dependem da sua estrutura, no da sua composio qumica.

Yi Chen est propondo construir um desses materiais artificiais para produzir rotons sem quaisquer efeitos qunticos envolvidos, em condies ambientais normais e em frequncias – ou comprimentos de onda – quase aleatrios.

Assim, se tornar possvel manipular as ondas sonoras – seja no ar ou atravessando materiais – em operaes impossveis hoje, por exemplo, redirecion-las, criar ecos ou faz-las retornar origem.

Esses materiais ainda no foram fabricados experimentalmente, mas a equipe afirma que possvel produzi-los usando tecnologias como a impresso 3D a laser ultraprecisa.

“Ns at mesmo fizemos alguns desses metamateriais nesse meio tempo,” adianta o professor Martin Wegener, um especialista em impresso 3D em nanoescala. “Atualmente, estamos trabalhando intensamente na prova experimental direta da existncia dos rotons.”

Nestes primeiros experimentos, os pesquisadores usaram uma combinao de simulaes numricas e otimizaes para fazer o projeto virtual auxiliado por computador de materiais com diversas novas propriedades, de forma que a receita j est pronta.

“Em geral, nosso sonho projetar materiais no computador e, em seguida, transform-los diretamente em realidade – sem anos de tentativa e erro. Portanto, a impresso 3D apenas um conversor automatizado, por assim dizer, do mundo digital para o fsico,” disse Wegener.

Bibliografia:

Artigo: Roton-like acoustical dispersion relations in 3D metamaterials
Autores: Yi Chen, Muamer Kadic, Martin Wegener
Revista: Nature Communications
Vol.: 12, Article number: 3278
DOI: 10.1038/s41467-021-23574-2

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