Investigadores de la Universidad Carlos III de Madrid y de China han diseñado un aislante acústico que permite arrinconar las ondas de sonido en las esquinas. El avance se podría aplicar en tecnologías de ultrasonidos industriales y ecografías.
Un grupo de investigadores de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M), en colaboración con científicos chinos de la Universidad de Nanjing (NJU), ha diseñado un nuevo tipo de aislantes acústicos que permite concentrar las ondas de sonido en las esquinas. Podría encontrar aplicaciones en tecnologías de ultrasonidos industriales o en la mejora de algunas pruebas de diagnóstico médico como las ecografías.
La investigación se enmarca dentro del campo de estudio de la física de la materia condensada, más concretamente en el ámbito de los materiales topológicos, que son sólidos que se comportan como aislantes eléctricos en su interior al tiempo que permiten la conducción eléctrica en la superficie. Otra de las características que hace que estos materiales sean interesantes es que están “topológicamente protegidos”, es decir, una señal permanece robusta e insensible ante la presencia de impurezas y defectos del material.
Varias investigaciones recientes han mostrado que los aislantes topológicos de orden superior pueden concentrar la energía en las esquinas. Y lo que han hecho ahora los científicos de la UC3M y de la NJU ha sido “traducir” este fenómeno conocido en la teoría de la física cuántica a la acústica clásica para conseguir focalizar la energía acústica en las esquinas. Los resultados han sido publicados recientemente en la revista Physical Review Letters.
Para explicar el proceso de forma intuitiva, los investigadores ponen como ejemplo la escultura “Órgano” de Eusebio Sempere, situada en los jardines de la Fundación Juan March en Madrid (ver imagen). Se trata de una escultura compuesta por barras de aluminio hueco separadas entre sí unos centímetros y colocadas en una red cuadrada. En el año 1995 unos científicos españoles demostraron que la escultura era capaz de atenuar el sonido.
Partiendo de esta idea, se han realizado diversos estudios en los que juntando dos cristales con diferentes topologías se conseguía que el sonido se transportara únicamente a través de la interfaz entre ambos. “En este caso, hemos dado un paso más. La estructura de estudio está formada por dos cristales sónicos con diferente topología colocados de forma concéntrica.
Esta nueva configuración hace que el sonido no se pueda transmitir a través de toda la estructura, sino que se focalice únicamente en las esquinas existentes entre ambos cristales. La intensidad del sonido en cada una de estas esquinas dependerá de las propiedades físicas consideradas”, explica uno de los autores del estudio, Johan Christensen, del departamento de Física de la UC3M.
Estas predicciones teóricas, además, han sido validadas experimentalmente en un artículo publicado en el último número de la revista Advanced Materials. “Más allá de su importancia académica, prevemos que los resultados obtenidos pueden usarse para la focalización de la energía acústica”, añade otra de las autoras, María Rosendo López, investigadora del proyecto PHONOMETA en la UC3M.
Nuevas guías de onda
Entre las posibles aplicaciones figura el desarrollo de nuevas guías de onda, es decir, estructuras físicas que sirvan para guiar ondas sonoras. “Somos capaces de conseguirlas sin la necesidad de disponer de un canal físico, sino que simplemente por la topología del sistema de estudio se consigue. Este caso de transporte de sonido es relevante para aplicaciones de filtrado y conducción. A diferencia de los sistemas pasivos tradicionales, este es altamente robusto a imperfecciones”, señala María Rosendo López.
La conversión acústico-eléctrica es otra de las posibles aplicaciones. “Como somos capaces de concentrar el sonido en las esquinas, uno podría emitir la energía acústica, concentrarla en las esquinas y después convertirla en energía eléctrica”, añaden los investigadores. Además, estos avances también podrían encontrar aplicaciones en tecnologías de ultrasonidos industriales o en la mejora de algunas pruebas de diagnóstico médico como las ecografías, por ejemplo.
Esta línea investigación se desarrolla en el marco de un proyecto científico más amplio, una ERC Starting Grant Horizonte 2020 financiada por la Unión Europea (GA 714577) que se denomina “Frontiers in Phononics: Parity-Time Symmetric Phononic Metamaterials” (PHONOMETA). En este contexto, su objetivo es analizar y diseñar una nueva generación de semiconductores piezoeléctricos que permitan optimizar el funcionamiento de sistemas acústicos complejos.
Referencias bibliográficas:
Zhang, Z. Rosendo López, M. Cheng, Y. Liu, X. Christensen, J. (2019): Non-Hermitian Sonic Second-Order Topological Insulator. Phys. Rev. Lett. 122, 195501. doi:10.1103/PhysRevLett.122.19550 e-Archivo de la UC3M: http://hdl.handle.net/10016/28492
Zhang, Z. Long, H. Liu, C. Shao, C. Cheng, Y. Liu, X. Christensen, J. (2019): Deep-Subwavelength Holey Acoustic Second-Order Topological Insulators. Adv. Mater. 2019. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904682
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