Forskere opnår stort gennembrud i at bevare integriteten af ​​lydbølger

I et gennembrud for fysik og teknik, forskere fra Photonics Initiative ved Advanced Science Research Center på The Graduate Center, CUNY (CUNY ASRC) og fra Georgia Tech har præsenteret den første demonstration af topologisk orden baseret på tidsmodulationer. Dette fremskridt gør det muligt for forskerne at udbrede lydbølger langs grænserne for topologiske metamaterialer uden risiko for, at bølger rejser baglæns eller forpurres af materielle defekter.

De nye resultater, som står i journalen Videnskabens fremskridt , vil bane vejen for billigere, lettere enheder, der bruger mindre batteristrøm, og som kan fungere i barske eller farlige miljøer. Andrea Alù, stiftende direktør for CUNY ASRC Photonics Initiative og professor i fysik ved The Graduate Center, CUNY, og postdoc-forsker Xiang Ni var forfattere på papiret, sammen med Amir Ardabi og Michael Leamy fra Georgia Tech.

Topologiområdet undersøger egenskaber ved et objekt, der ikke er påvirket af kontinuerlige deformationer. I en topologisk isolator, elektriske strømme kan flyde langs objektets grænser, og dette flow er modstandsdygtigt over for at blive afbrudt af objektets ufuldkommenheder. Nylige fremskridt inden for metamaterialer har udvidet disse funktioner til at kontrollere udbredelsen af ​​lyd og lys efter lignende principper.

I særdeleshed, tidligere arbejde fra laboratorierne på Alù og City College i New York Fysikprofessor Alexander Khanikaev brugte geometriske asymmetrier til at skabe topologisk orden i 3-D-printede akustiske metamaterialer. I disse genstande, lydbølger viste sig at være begrænset til at bevæge sig langs objektets kanter og rundt om skarpe hjørner, men med en betydelig ulempe:Disse bølger var ikke fuldstændigt begrænsede - de kunne rejse enten fremad eller bagud med de samme egenskaber. Denne effekt begrænsede i sagens natur den overordnede robusthed af denne tilgang til topologisk orden for lyd. Visse typer af uorden eller ufuldkommenheder ville faktisk reflektere baglæns lyden, der forplanter sig langs objektets grænser.

Dette seneste eksperiment overvinder denne udfordring, viser, at tidsvendingssymmetrien bryder, snarere end geometriske asymmetrier, kan også bruges til at inducere topologisk orden. Ved at bruge denne metode, lydudbredelse bliver virkelig ensrettet, og stærkt robust over for uorden og ufuldkommenheder

"Resultatet er et gennembrud for topologisk fysik, da vi har været i stand til at vise topologisk orden, der opstår fra tidsvariationer, som er anderledes, og mere fordelagtigt, end det store værk om topologisk akustik baseret på geometriske asymmetrier, " sagde Alù. "Tidligere tilgange krævede i sagens natur tilstedeværelsen af ​​en baglæns kanal, gennem hvilken lyd kunne reflekteres, hvilket i sagens natur begrænsede deres topologiske beskyttelse. Med tidsmodulationer kan vi undertrykke udbredelse bagud og give stærk topologisk beskyttelse."

Forskerne designet en enhed lavet af en række cirkulære piezoelektriske resonatorer arrangeret i gentagne sekskanter, som et bikagegitter, og bundet til en tynd skive af polymælkesyre. De sluttede derefter dette til eksterne kredsløb, som giver et tidsmoduleret signal, der bryder tids-reverseringssymmetri.

Som en bonus, deres design giver mulighed for programmerbarhed. Dette betyder, at de kan lede bølger langs en række forskellige rekonfigurerbare stier, med minimalt tab. Ultralydsbilleddannelse, sonar, og elektroniske systemer, der bruger overflade-akustisk bølgeteknologi, kunne alle drage fordel af dette fremskridt, sagde Alù.