Metamaterial consegue amplificar ondas sonoras exponencialmente

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Um novo tipo de metamaterial foi criado por pesquisadores da Alemanha, Suíça e Áustria. A partir dele, o som flui de uma forma impressionante, fornecendo até mesmo uma amplificação das ondas sonoras.

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Para quem tem pressa:

O metamaterial é o primeiro exemplo de uma cadeia bosônica de Kitaev e foi desenvolvido com base na cadeia fermiônica de Kitaev;
A ideia era que ao invés das ondas serem descritas como elétrons como na cadeia fermiônica, ela fosse tida como luz ou som;
O resultado foi um metamaterial que não só facilitou a passagem de vibrações como as amplificou.

A pesquisa publicada na Nature e liderada pelo instituto de pesquisa AMOLF é o primeiro exemplo de uma cadeia bosônica de Kitaev. O estudo tinha como objetivo desenvolver um material topológico capaz de amplificar ondas sonoras, algo que foi conseguido a partir do uso de laser para a manipulação de ressonadores nanomecânicos.

Percebemos que poderíamos criar experimentalmente as ligações necessárias entre ressonadores nanomecânicos, acoplando-os com a ajuda de forças exercidas pela luz, criando assim molas ‘ópticas’.
Jesse Slim, principal autor do estudo, em comunicado

Os ressonadores se ligam entre si usando forças óptica, resultando na criação de uma mola óptica. Essa abordagem foi o que permitiu a formação de uma cadeia bosônica de Kitaev, facilitando a propagação de ondas sonoras e dando ao metamaterial as capacidades de amplificação.

Ilustração de ondas sonoras — Frequências são como partes do som, medidas em Hz (Crédito: Pawel Czerwinski/Unsplash)

Também foi percebido que os acoplamentos ópticos da cadeia se assemelham aos elos supercondutores de uma cadeia fermiônica de Kitaev, no entanto, os bósons, diferentes dos férmions (elétrons), por não terem carga acabam por não apresentar supercondutividade. Ao invés disso, ela amplifica as vibrações nanomecânicas de uma extremidade a outra.

Leia mais:

Utilidade do metamaterial

Inicialmente os pesquisadores estavam interessados em encontrar um modelo matematicamente semelhante, mas que ao invés de descrever ondas como elétrons, elas fossem descritas como luz ou som, o que resulta em um comportamento muito diferente.

Representação gráfica de ondas sonoras na tela de um computador

O resultado foi a cadeia bosônica de Kitaev, que possui características que lembram materiais topológicos, um conceito premiado pelo Nobel de Física de 2016 e que garante a ocorrência de certos fenômenos como a aplicação direcional que pode ser útil para agir contra perturbações e defeitos.

O metamaterial poderá ter aplicações para aumentar a sensibilidade de sensores nanomecânicos e na computação quântica.