Als je op een meloen klopt om te zien of hij rijp is, je gebruikt geluidsgolven om de structuur van het materiaal binnenin te onderzoeken. Natuurkundigen van de Universiteit van Chicago gebruikten hetzelfde concept om te onderzoeken hoe geluidsgolven door structuren met patronen reizen toen ze een eigenaardigheid opmerkten:totaal verschillende structuren klonken hetzelfde.

Dit was iets verrassends - zoiets als kloppen op een meloen en een ananas, en ontdekken dat ze allebei hetzelfde geluid maakten.

"Wat ons enthousiast maakte, was dat we onze bevindingen niet konden verklaren met behulp van bestaande concepten, zoals ruimtelijke symmetrieën, " zei Vincenzo Vitelli, een professor in de natuurkunde aan het James Franck Institute.

Wat Vitelli en zijn groep hadden ontdekt, was een dualiteit, een "verborgen" symmetrie die schijnbaar niet-gerelateerde systemen met elkaar verbindt. Gepubliceerd in Natuur , hun studie zou ooit kunnen helpen bij het ontwerpen van metamaterialen of zelfs microscopische apparaten die informatie verwerken die is gecodeerd in geluidsgolven.

Door de jaren heen, natuurkunde heeft een raamwerk opgebouwd om de eigenschappen van een object te voorspellen op basis van zijn ruimtelijke symmetrieën. "Kijk naar een plastic model van een methaanmolecuul:de waterstofatomen vormen een regelmatige tetraëder. Dit vertelt je veel over hoe het molecuul trilt, zei Michel Fruchart, een postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur van het artikel. In een vergelijkbare ader, LEGO-modellen hielpen de auteurs van deze studie om hun dualiteiten te ontdekken. (Een videodemonstratie is beschikbaar op hun site.)

Wat als deze dualiteiten kunnen worden benut om een ​​materiaal eigenschappen te geven die het anders niet zou hebben?

In de laatste paar jaren, er is een explosie van interesse geweest in een veld dat metamaterialen wordt genoemd. Dit zijn kunstmatige structuren die zijn ontworpen om kenmerken te hebben die normaal gesproken niet in de natuur worden verwacht. Bijvoorbeeld, er is veel nagedacht over het realiseren van een "onzichtbaarheidsmantel" met composietmaterialen die binnenkomend licht om hen heen buigen dankzij hun interne geometrie.

Fruchart en Vitelli stelden zich voor om deze benadering te gebruiken om een ​​deeltje zoals een fonon - in wezen een warmtedeeltje - te nemen en het eigenschappen te geven die het gewoonlijk niet heeft.

Elektronen hebben een eigenschap genaamd "spin" die wordt gebruikt als basis voor enkele van de nieuwste hightech-elektronica. Fononen hebben geen spin, maar als wetenschappers de structuur van materialen zouden kunnen vormen om fononen een "nep-spin, " ze zouden ze mogelijk kunnen gebruiken in phononic-apparaten - vergelijkbaar met elektronica, maar met verschillende capaciteiten, zoals warmteregeling.

"Door de fononen te verplaatsen, men zou de informatie kunnen verwerken die is opgeslagen in hun pseudo-spin, ' zei Vitelli.

Ze noemden dit concept 'mechanische spintronica'. De wetenschappers zeiden te hopen dat dualiteiten net zo belangrijk kunnen zijn bij het ontwerpen van metamaterialen als symmetrieën momenteel zijn.

“Onze aanpak geldt ook voor andere golven, niet alleen fononen, bijvoorbeeld licht en materie golven, ’ zei Fruchart.