Se sabe que la pérdida de energía debido a la dispersión por defectos materiales establece límites en el rendimiento de casi todas las tecnologías que empleamos para comunicaciones, temporización y navegación. En giroscopios y acelerómetros micromecánicos, como los que se encuentran comúnmente en los teléfonos celulares en la actualidad,El desorden microestructural impacta la deriva de la medición y la precisión general del sensor, de forma análoga a cómo una cuerda de violín sucia podría afectar el disfrute de la música hermosa. En los sistemas de comunicación de fibra óptica, la dispersión por defectos materiales puede reducir la fidelidad de los datos a largas distancias, reduciendo así el ancho de banda alcanzable.no se pueden obtener materiales sin defectos, ¿cómo podemos mejorar los límites tecnológicos fundamentales impuestos por el desorden?
Una colaboración de investigación entre la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, y la Universidad de Maryland ha revelado una nueva técnica por la cual la dispersión de las ondas sonoras del desorden en un material puede ser suprimida bajo demanda.Todo esto se puede lograr simplemente iluminando con el color apropiado de la luz láser. El resultado, que se publica en Comunicaciones de la naturaleza , podría tener un amplio impacto en sensores y sistemas de comunicación.
Gaurav Bahl, profesor asistente de ciencias mecánicas e ingeniería, y su equipo de investigación han estado estudiando la interacción de la luz con el sonido en micro resonadores de estado sólido. Este nuevo resultado es la culminación de una serie de experimentos llevados a cabo por su equipo durantelos últimos años, y una nueva pregunta científica planteada en el lugar correcto.
"Los resonadores pueden considerarse cámaras de eco para el sonido y la luz, y pueden ser tan simples como bolas de vidrio microesféricas como las que usamos en nuestro estudio", explicó Bahl. "Nuestra comunidad investigadora ha entendido por mucho tiempo que la luz puedese puede usar para crear y amplificar ondas de sonido en resonadores a través de una variedad de fuerzas ópticas. Los ecos resonantes ayudan a aumentar el tiempo de interacción entre el sonido, la luz y el desorden material, haciendo que estos efectos sutiles sean mucho más fáciles de observar y controlar.fundamentalmente no son diferentes de las que tienen lugar en cualquier otro sistema, estas pueden ser una plataforma realmente compacta para explorar la física subyacente ".
La clave para suprimir la dispersión del desorden es inducir un desajuste en la propagación entre las direcciones original y dispersa. Esta idea es similar a cómo una corriente eléctrica prefiere fluir a lo largo del camino de menor resistencia, o cómo el agua prefiere fluir a través deun tubo más ancho en lugar de uno estrecho. Para suprimir la dispersión hacia atrás de las ondas de sonido que se mueven hacia adelante, uno debe crear una gran impedancia acústica en la dirección hacia atrás. Esta asimetría para las ondas de propagación hacia adelante y hacia atrás se denomina quiralidad del medio.Los sistemas de estado sólido no tienen propiedades quirales, pero estas propiedades pueden inducirse mediante campos magnéticos o mediante la variación espacio-tiempo del medio.
"Hace unos años, descubrimos que la quiralidad puede ser inducida por la luz usando un fenómeno opto-mecánico, en el que la luz se acopla con ondas de sonido en propagación y hace que el medio sea transparente. Nuestros experimentos en ese momento mostraron que la transparencia óptica inducida solopermite que la luz se mueva unidireccionalmente, es decir, crea una impedancia óptica preferencialmente baja en una dirección ", dijo Bahl." Fue entonces cuando conocimos a nuestro colaborador Jacob Taylor, físico de NIST, quien nos hizo una pregunta simple. ¿Qué sucede?a las ondas de sonido en tal sistema? "
"Nuestro modelo teórico predijo que tener un sistema quiral para la propagación del sonido podría suprimir cualquier dispersión posterior que pudiera haber sido inducida por el trastorno", explicó Taylor. "Este concepto surgió del trabajo que hemos estado haciendo en los últimos años investigandoprotección topológica para la luz, donde la propagación quiral es una característica clave para mejorar el rendimiento de los dispositivos. Inicialmente, el plan con el equipo de Bahl era solo mostrar una diferencia entre las ondas de sonido de propagación hacia adelante y hacia atrás, utilizando un efecto de enfriamiento creado por la luz.el sistema nos sorprendió con un efecto práctico aún más fuerte de lo esperado "
Esa simple pregunta lanzó un nuevo esfuerzo de investigación de varios años en una dirección que no se ha explorado previamente. Trabajando en estrecha colaboración, el equipo descubrió que la dispersión de luz de Brillouin, un tipo específico de interacción opto-mecánica, también podría inducir quiralidad paraondas sonoras. Entre las herramientas experimentales en el laboratorio de Bahl y los avances teóricos en el laboratorio de Taylor, las piezas del rompecabezas ya estaban en su lugar.
"Preparamos experimentalmente un sistema optomecánico quiral haciendo circular un campo láser en el sentido de las agujas del reloj en un resonador de vidrio de sílice. La longitud de onda del láser, o el color, se arregló especialmente para inducir la amortiguación óptica de solo ondas sonoras en el sentido de las agujas del reloj. Esto creó una gran acústicaLa falta de coincidencia de impedancia entre las direcciones de propagación en sentido horario y antihorario ", explicó Seunghwi Kim, primer autor del estudio." Las ondas de sonido que se propagaban en el sentido de las agujas del reloj experimentaron pérdidas muy altas debido al efecto de enfriamiento opto-mecánico.en sentido antihorario podría moverse libremente. Sorprendentemente, vimos una gran reducción de la pérdida de dispersión de las ondas sonoras en sentido antihorario, ¡ya que esas ondas ya no podían dispersarse en sentido horario! En otras palabras, aunque el desorden estaba presente en el resonador,su acción fue suprimida "
Así como el sonido es el método principal de comunicación de voz entre humanos, las ondas electromagnéticas como la radio y la luz son la tecnología principal utilizada para las comunicaciones globales. ¿Qué podría significar este descubrimiento para la industria de las comunicaciones? Los trastornos y defectos materiales son sistemas inevitables de fibra óptica,resultando en una menor fidelidad de datos, errores de bit y limitaciones de ancho de banda. El equipo cree que las tecnologías basadas en este descubrimiento podrían aprovecharse para evitar el impacto de defectos materiales inevitables en tales sistemas.
"Ya hemos visto que muchos sensores, como los que se encuentran en su teléfono o en su automóvil, pueden estar limitados por defectos intrínsecos en los materiales", agregó Taylor. "El enfoque presentado aquí proporciona un medio simple para eludir esosdesafíos, e incluso pueden ayudarnos a acercarnos a los límites establecidos por la mecánica cuántica, en lugar de nuestros propios desafíos de ingeniería ".
Las aplicaciones prácticas de este resultado pueden no tener muchos años de descanso. La reducción de las pérdidas mecánicas también podría mejorar directamente los sensores de navegación inercial basados en la mecánica que usamos hoy. Ejemplos que encontramos en la vida diaria son acelerómetros y giroscopios, sin los cuales nuestro móvillos teléfonos serían mucho menos capaces, y nuestros automóviles y aviones serían mucho menos seguros.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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