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Research and Innovation

Nuevos materiales cuánticos que controlan el sonido ofrecen capas de invisibilidad acústica

Los científicos tratan de comprender las nuevas propiedades fundamentales del sonido y así mejorar las tecnologías acústicas. El equipo del proyecto PHONOMETA, financiado con fondos europeos, recurrió a la física cuántica para diseñar una nueva clase de materiales mesoscópicos acústicos. La investigación podría mejorar nuestra comprensión del sonido y dar lugar a nuevas tecnologías de camuflaje.

©garrykillian #289451343, source stock.adobe.com 2022

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Los metamateriales acústicos son mesoestructuras (de una escala que se encuentra entre lo microscópico y lo macroscópico) que pueden controlar, manipular y dirigir las ondas sonoras cambiando sus características subyacentes. En los últimos años, los avances en estas estructuras han dado lugar a los denominados materiales fonónicos, que pueden esculpir activamente el flujo de las ondas sonoras de formas muy específicas.

Por ejemplo, los materiales fonónicos que otorgan refracción cero o incluso negativa pueden controlar el sonido en la escala de sublongitud de onda, lo que permite controlar con precisión la energía y el campo acústicos.

Esto abre un abanico de posibilidades prácticas, que incluye tecnologías como el camuflaje acústico. También proporciona un medio para explorar la mecánica cuántica, al entender mejor las propiedades físicas subyacentes de las propias ondas sonoras.

«Queríamos descubrir propiedades completamente nuevas en la física de las ondas sonoras», explica Johan Christensen, beneficiario de una beca de investigación en la Universidad Carlos III de Madrid. «El otro factor motivador fue mejorar ciertos aspectos tecnológicos de la acústica en nuestra vida diaria», señala.

Estos dos ejes formaron el pilar fundamental del proyecto PHONOMETA, financiado con fondos europeos y respaldado por el Consejo Europeo de Investigación. «Esto significa profundizar en la mecánica cuántica y, aplicando parte del conocimiento de este campo, intentar transferirla a la acústica», añade Christensen, coordinador del proyecto PHONOMETA.

Profundizar en la física teórica

El proyecto PHONOMETA creó una clase de materiales artificiales conocidos como sistemas simétricos de paridad-tiempo (PT). La simetría PT es un concepto fundamental en la mecánica cuántica, en la que un sistema evolucionaría exactamente de la misma manera sin importar si el tiempo transcurre hacia delante o hacia atrás, mientras se transforma en su imagen especular.

En acústica, los sistemas simétricos de PT son materiales artificiales que contienen unidades de ganancia (que amplifican las ondas sonoras) y unidades de pérdida (que reducen la amplitud de la onda).

«Es la combinación de ambos, un concepto tomado de la mecánica cuántica, lo que provoca características de propagación de ondas muy inusuales para las ondas sonoras», explica Christensen.

Las unidades de pérdida son fáciles de generar en acústica: cualquier material esponjoso o parecido a la espuma hace que el sonido pierda energía. Pero es difícil alcanzar el componente de ganancia, comenta Christensen. En óptica, esto podría hacerse mediante un láser. Sin embargo, para la acústica, este tipo de tecnología no existe.

Inicialmente, los investigadores del proyecto PHONOMETA tenían previsto utilizar semiconductores piezoeléctricos, materiales que pueden generar cierta ganancia acústica cuando se les aplica un campo eléctrico.

Durante las últimas etapas, el equipo descubrió que las películas de nanotubos de carbono eran las mejores candidatas. Estas películas, formadas por una pila de láminas de grafeno, tienen propiedades eléctricas, mecánicas y ópticas excepcionales que ofrecen mayores niveles de control. Christensen y su equipo utilizaron estos materiales como componente de ganancia en los sistemas simétricos de PT que desarrollaron.

Una capa de imperceptibilidad

Una de las contribuciones esenciales del proyecto fue aprovechar las propiedades sin reflexión de estos nuevos materiales. Al alcanzar un determinado umbral, en el que el contraste entre pérdida y ganancia aumenta, el material se muestra acústicamente transparente, no genera ecos y se vuelve invisible. El equipo llevó este concepto un paso más allá para crear una capa de invisibilidad.

«Durante siglos, las personas han soñado con una capa de invisibilidad que les permita ser imperceptibles a simple vista si se esconden debajo de ella», afirma Christensen. En óptica, esto significaría suprimir no solo la luz reflejada de un objeto, sino también la sombra detrás de él para que desaparezca por completo.

El equipo logró hacer exactamente eso de manera acústica, escondiendo un objeto del tamaño de un refrigerador. «La ganancia y la pérdida acústicas se combinan para no producir reflejo y generar un efecto de disminución de la sombra acústica», señala Christensen. Si se sigue avanzando en este ámbito, podría lograrse una tecnología de sigilo mucho mejor para objetos más grandes como los submarinos.

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Datos del proyecto

Acrónimo del proyecto
PHONOMETA
Número del proyecto
714577
Quién coordina el proyecto: España
Quién participa en el proyecto:
España
Coste total
€ 1 325 158
Contribución de la UE
€ 1 325 158
Duración
-

Véase también

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