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| En el experimento de la ETH, las autooscilaciones (azul-rojo) hacen que las ondas sonoras (verde, naranja, violeta) viajen por el circulador sólo en una dirección. (Ilustración: Xin Zou) |
Normalmente, el sonido y otros tipos de ondas viajan simétricamente, moviéndose tanto hacia delante como hacia atrás, lo cual es esencial para las conversaciones en las que ambos participantes pueden oírse. Sin embargo, en determinados campos técnicos, es ventajoso que las ondas se muevan en una sola dirección para evitar reflejos no deseados, de forma similar a cómo se gestionan la luz o las microondas.
Hace aproximadamente una década, los investigadores consiguieron suprimir el desplazamiento hacia atrás de las ondas sonoras, pero esto también disminuía la fuerza de las ondas que se desplazaban hacia delante. Ahora, un equipo de la ETH de Zúrich, dirigido por el profesor Nicolas Noiray, en colaboración con Romain Fleury, de la EPFL, ha ideado una técnica para detener las ondas sonoras que retroceden manteniendo la fuerza de las que avanzan.
Su innovador planteamiento se basa en las autooscilaciones, en las que un sistema dinámico repite periódicamente su comportamiento. Según los investigadores, este método podría aplicarse también a las ondas electromagnéticas. El ingenioso sistema del profesor Noiray permite que las ondas sonoras se muevan en una sola dirección utilizando oscilaciones aeroacústicas autosostenidas dentro de un circulador. En esta configuración, la amortiguación natural de las ondas sonoras se ve contrarrestada por las autooscilaciones del circulador, que se sincronizan con las ondas entrantes y las amplifican.
El circulador es una cavidad en forma de disco en la que el aire entra por un lado a través de una abertura central. Ajustando la velocidad del aire y la intensidad del remolino, se genera un silbido dentro de la cavidad. A diferencia de los silbatos tradicionales, que producen el sonido a partir de una onda estacionaria dentro de la cavidad, este nuevo diseño genera el sonido a partir de una onda giratoria.
Convertir esta idea en un experimento práctico requirió tiempo y esfuerzo. Al principio, Noiray y su equipo examinaron la mecánica de fluidos del silbato de onda giratoria. A continuación, incorporaron tres guías de ondas acústicas dispuestas en una configuración triangular alrededor del perímetro del circulador. Las ondas sonoras que entran por la primera guía de ondas pueden salir por la segunda. Sin embargo, si una onda entra por la segunda guía de ondas, no puede viajar "hacia atrás" por la primera, sino que sale por la tercera.
Tras años de modelado y desarrollo teóricos, los investigadores de la ETH pusieron por fin a prueba su circulador. Introdujeron una onda sonora a una frecuencia aproximada de 800 hercios (similar a la de una soprano cantando un sol agudo) por la primera guía de ondas y midieron su recorrido por la segunda y la tercera. Los resultados fueron los previstos: la onda sonora no alcanzó la tercera guía de ondas. Sin embargo, una onda sonora más potente que la inicial salió de la segunda guía de ondas en dirección hacia delante.
"Este concepto de propagación de ondas no recíprocas con compensación de pérdidas es, en nuestra opinión, un resultado importante que también puede trasladarse a otros sistemas", afirma Noiray. Este trabajo pionero abre la posibilidad de almacenar información cuántica en forma de ondas sonoras y podría tener importantes implicaciones para diversas aplicaciones en las que es crucial controlar la dirección de propagación de las ondas.
Fuentes, créditos y referencias:
Pedergnana T, Faure-Beaulieu A, Fleury R, Noiray N: Loss-compensated non-reciprocal scattering based on synchronization. Nature Communications 15, 7436 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51373-y