Het is bekend dat energieverlies als gevolg van verstrooiing door materiaaldefecten grenzen stelt aan de prestaties van bijna alle technologieën die we gebruiken voor communicatie, timing, en navigatie. In micromechanische gyroscopen en versnellingsmeters, zoals die tegenwoordig vaak in mobiele telefoons worden aangetroffen, microstructurele wanorde heeft invloed op meetafwijking en algehele nauwkeurigheid van de sensor, analoog aan hoe een vuile vioolsnaar iemands plezier van mooie muziek kan beïnvloeden. In optische vezelcommunicatiesystemen, verstrooiing door materiaaldefecten kan de betrouwbaarheid van gegevens over lange afstanden verminderen, waardoor de haalbare bandbreedte wordt verminderd. Aangezien defectvrije materialen niet kunnen worden verkregen, hoe kunnen we mogelijk de fundamentele technologische grenzen die door wanorde worden opgelegd, verbeteren?

Een onderzoekssamenwerking tussen de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, het Nationaal Instituut voor Standaarden en Technologie, en de Universiteit van Maryland heeft een nieuwe techniek onthuld waarmee de verstrooiing van geluidsgolven door wanorde in een materiaal op verzoek kan worden onderdrukt. Alles van dit, kan eenvoudig worden bereikt door te verlichten met de juiste kleur laserlicht. Het resultaat, die is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , grote gevolgen kunnen hebben voor sensoren en communicatiesystemen.

Gaurav Bahl, een assistent-professor in de mechanische wetenschappen en techniek, en zijn onderzoeksteam hebben de interactie van licht met geluid bestudeerd in microresonatoren in vaste toestand. Dit nieuwe resultaat is het hoogtepunt van een reeks experimenten die zijn team de afgelopen jaren heeft uitgevoerd, en een nieuwe wetenschappelijke vraag op de juiste plaats.

"Resonatoren kunnen worden gezien als echokamers voor geluid en licht, en kan zo simpel zijn als microbolvormige glazen bollen zoals die we in onze studie gebruikten, " legde Bahl uit. "Onze onderzoeksgemeenschap heeft lang begrepen dat licht kan worden gebruikt om geluidsgolven in resonatoren te creëren en te versterken door middel van een verscheidenheid aan optische krachten. De resonante echo's helpen om de interactietijd tussen geluid, licht, en materiële wanorde, waardoor deze subtiele effecten veel gemakkelijker te observeren en te controleren zijn. Aangezien interacties binnen resonatoren fundamenteel niet verschillen van die welke plaatsvinden in een ander systeem, dit kan een heel compact platform zijn om de onderliggende fysica te verkennen."

De sleutel tot het onderdrukken van verstrooiing door wanorde is het induceren van een mismatch in de voortplanting tussen de oorspronkelijke en verstrooide richtingen. Dit idee is vergelijkbaar met hoe een elektrische stroom het liefst langs de weg van de minste weerstand stroomt, of hoe water liever door een bredere leiding stroomt dan door een vernauwde. Om terugverstrooiing van voorwaarts bewegende geluidsgolven te onderdrukken, men moet een grote akoestische impedantie in achterwaartse richting creëren. Deze asymmetrie voor voorwaartse en achterwaartse voortplantende golven wordt chiraliteit van het medium genoemd. De meeste solid-state systemen hebben geen chirale eigenschappen, maar deze eigenschappen kunnen worden geïnduceerd door magnetische velden of door ruimte-tijdvariatie van het medium.

"Een paar jaar geleden, we ontdekten dat chiraliteit kan worden geïnduceerd voor licht met behulp van een opto-mechanisch fenomeen, waarin licht koppelt aan zich voortplantende geluidsgolven en het medium transparant maakt. Onze experimenten in die tijd toonden aan dat de geïnduceerde optische transparantie licht alleen in één richting laat bewegen, dat is, het creëert een bij voorkeur lage optische impedantie in één richting, " zei Bahl. "Het was toen dat we onze medewerker Jacob Taylor ontmoetten, een natuurkundige bij NIST, die ons een simpele vraag stelde. Wat gebeurt er met de geluidsgolven in zo'n systeem?"

"Onze theoretische modellering voorspelde dat het hebben van een chiraal systeem voor geluidsvoortplanting elke terugverstrooiing zou kunnen onderdrukken die mogelijk door wanorde is veroorzaakt, ", legt Taylor uit. "Dit concept is ontstaan ​​uit werk dat we de afgelopen jaren hebben gedaan om topologische bescherming voor licht te onderzoeken, waarbij chirale voortplanting een belangrijk kenmerk is voor het verbeteren van de prestaties van apparaten. Aanvankelijk was het plan met het team van Bahl om een ​​verschil te laten zien tussen de voorwaartse en achterwaartse voortplantende geluidsgolven, met behulp van een verkoelend effect gecreëerd door licht. Maar het systeem verraste ons met een nog sterker praktisch effect dan verwacht."

Die simpele vraag lanceerde een nieuwe meerjarige onderzoeksinspanning in een richting die nog niet eerder is verkend. In nauwe samenwerking, ontdekte het team dat Brillouin lichtverstrooiing, een specifiek soort opto-mechanische interactie, kan ook chiraliteit veroorzaken voor geluidsgolven. Tussen de experimentele instrumenten in Bahl's lab, en de theoretische vooruitgang in Taylor's lab, de puzzelstukjes lagen al op hun plaats.

"We hebben experimenteel een chiraal optomechanisch systeem voorbereid door een laserveld met de klok mee te laten circuleren in een resonator van kwartsglas. De lasergolflengte, of kleur, was speciaal ingericht om optische demping van alleen rechtsdraaiende geluidsgolven te induceren. Dit creëerde een grote akoestische impedantie mismatch tussen de voortplantingsrichtingen met de klok mee en tegen de klok in, " legde Seunghwi Kim uit, eerste auteur van de studie. "Geluidsgolven die zich met de klok mee voortplanten, ondervonden zeer hoge verliezen als gevolg van het opto-mechanische koeleffect. Geluidsgolven die zich tegen de klok in bewogen, konden vrij bewegen. Verrassend genoeg we zagen een enorme vermindering van het verstrooiingsverlies voor geluidsgolven tegen de klok in, omdat die golven zich niet meer met de klok mee konden verspreiden! Met andere woorden, ook al was er wanorde in de resonator, zijn actie werd onderdrukt."

Net zoals geluid de primaire methode is voor spraakcommunicatie tussen mensen, elektromagnetische golven zoals radio en licht zijn de primaire technologie die wordt gebruikt voor wereldwijde communicatie. Wat zou deze ontdekking kunnen betekenen voor de communicatie-industrie? Stoornissen en materiaaldefecten zijn onvermijdelijke optische vezelsystemen, wat resulteert in een lagere gegevensgetrouwheid, bit fouten, en bandbreedtebeperkingen. Het team is van mening dat technologieën op basis van deze ontdekking kunnen worden gebruikt om de impact van onvermijdelijke materiaaldefecten in dergelijke systemen te omzeilen.

"We hebben al zoveel sensoren gezien, zoals die in uw telefoon of in uw auto, kan worden beperkt door intrinsieke defecten in de materialen, " voegde Taylor eraan toe. "De hier geïntroduceerde benadering biedt een eenvoudige manier om die uitdagingen te omzeilen, en kan ons zelfs helpen de limieten van de kwantummechanica te naderen, in plaats van onze eigen technische uitdagingen."

Praktische toepassingen van dit resultaat zullen misschien niet al te veel jaren duren. Vermindering van mechanische verliezen kan ook direct de op mechanica gebaseerde traagheidsnavigatiesensoren die we tegenwoordig gebruiken, verbeteren. Voorbeelden die we in het dagelijks leven tegenkomen zijn versnellingsmeters en gyroscopen, zonder welke onze mobiele telefoons veel minder geschikt zouden zijn, en onze auto's en vliegtuigen een stuk minder veilig.