Een groep onderzoekers van de Universidad Carlos III de Madrid (UC3M), in samenwerking met Chinese wetenschappers van de Universiteit van Nanjing (NJU), hebben een nieuw type akoestische isolatie ontworpen waarmee geluidsgolven zich in hoeken kunnen concentreren. Deze onderzoekslijn zou toepassingen kunnen hebben in industriële ultrasone technologieën of in de verbetering van bepaalde medische diagnostische tests zoals echografie.

Het onderzoek valt binnen het vakgebied van de fysica van de gecondenseerde materie, specifieker, het gebied van topologische materialen, die solide zijn en zich in hun inwendige als elektrische isolatoren gedragen, terwijl ze elektrische geleiding op het oppervlak mogelijk maken. Een ander kenmerk dat deze materialen interessant maakt, is dat ze "topologisch beschermd, " dat is, een signaal blijft robuust en ongevoelig voor de aanwezigheid van onzuiverheden en defecten van het materiaal. Verschillende recente onderzoeksprojecten hebben aangetoond dat de topologische isolatoren van hogere orde energie kunnen concentreren in hoeken. Wat de wetenschappers van UC3M en NJU hebben gedaan, is dit fenomeen "vertalen", die bekend is in de theorie van de kwantumfysica, naar klassieke akoestiek om akoestische energie in hoeken te kunnen concentreren. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Om het proces intuïtief uit te leggen, de onderzoekers gebruiken het beeld "Organo" (Orgel) van Eusebio Sempere als voorbeeld. Gelegen in de tuinen van de Fundación Juan March in Madrid (zie afbeelding), deze sculptuur is samengesteld uit holle aluminium staven die enkele centimeters van elkaar zijn gescheiden en in een vierkant rooster zijn geplaatst. 1995, Spaanse wetenschappers toonden aan dat het beeld in staat was om geluid te dempen.

Met dit idee als uitgangspunt, er zijn verschillende onderzoeken gedaan waarin door twee kristallen met verschillende topologieën te combineren, geluid kon alleen worden getransporteerd via de interface tussen de twee. "In dit geval, we hebben een volgende stap gezet. De studiestructuur wordt gevormd door twee sonische kristallen met verschillende topologie die concentrisch zijn geplaatst. Deze nieuwe configuratie betekent dat het geluid niet door de hele structuur kan worden overgedragen, maar het is veeleer gefocust in de hoeken tussen de twee kristallen. De intensiteit van het geluid in elk van deze hoeken hangt af van de fysieke eigenschappen waarmee rekening wordt gehouden, " legt een van de auteurs van de studie uit, Johan Christensen, van de afdeling Natuurkunde van UC3M.

Deze theoretische voorspellingen zijn ook experimenteel gevalideerd in een artikel gepubliceerd in het laatste nummer van het tijdschrift Geavanceerde materialen . "Behalve het academische belang, we verwachten dat de verkregen resultaten kunnen worden gebruikt om akoestische energie te concentreren, " voegt een andere van de auteurs toe, Maria Rosendo Lopez, een onderzoeker van het PHONOMETA-project aan UC3M. Mogelijke toepassingen zijn de ontwikkeling van nieuwe golfgeleiders, dat is, fysieke structuren die worden gebruikt om geluidsgolven te geleiden. "We kunnen dit bereiken zonder dat we een fysiek kanaal nodig hebben, maar eerder eenvoudig door de topologie van het studiesysteem. Dit geval van geluidstransport is relevant voor filter- en geleidingstoepassingen. In tegenstelling tot traditionele passieve systemen, deze is zeer robuust tegen onvolkomenheden, ", zegt María Rosendo López.

Een andere mogelijke toepassing is de akoestisch-elektrische conversie. "Omdat we het geluid in de hoeken kunnen concentreren, oogst de akoestische energie, concentreren in de hoeken en vervolgens omzetten in elektrische energie, " voegen de onderzoekers toe. Deze vooruitgang kan ook worden toegepast in industriële ultrasone technologieën of in de verbetering van bepaalde medische diagnostische tests zoals echografie, bijvoorbeeld.