Για πρώτη φορά καταγράφηκαν και απεικονίστηκαν πλήρη ουράνια τόξα από ήχο. Η αξιοποίηση των τεχνικών που χρησιμοποιήθηκαν θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέα συστήματα βασισμένα στον ήχο, για επεξεργασία πληροφορίας ή συλλογή ενέργειας.
Για να δημιουργηθεί ένα ουράνιο τόξο από οποιαδήποτε πηγή φωτός, το φως πρέπει να ταξινομηθεί ανά συχνότητα. Για παράδειγμα, μια περιοχή κόκκινου φωτός αποτελείται από φωτεινά κύματα που ταλαντώνονται σε μία συχνότητα, ενώ τα κύματα που σχηματίζουν τη δίπλα πορτοκαλί περιοχή ταλαντώνονται σε άλλη. Αντίστοιχη ταξινόμηση θα έπρεπε να είναι εφικτή και για άλλους τύπους κυμάτων, όπως ο ήχος ή οι δονήσεις μέσα σε υλικά, όμως οι ερευνητές δυσκολεύονταν να δημιουργήσουν τέτοια «ελαστικά ουράνια τόξα», πέρα από μικροσκοπικές περιοχές στις γωνίες ή στις άκρες υλικών.
Ο Riyi Zheng από το South China University of Technology και οι συνεργάτες του παγίδευσαν ένα τέτοιο ουράνιο τόξο σε ένα τσιπ πυριτίου, ενώ ο Yafeng Chen από το Tongji University στην Κίνα και η ομάδα του δημιούργησαν ένα σε συσκευή αλουμινίου, παρουσιάζοντας τα πιο ολοκληρωμένα ελαστικά ουράνια τόξα μέχρι σήμερα.
Η δημιουργία ενός ελαστικού ουράνιου τόξου απαιτεί τον εγκλωβισμό σωματιδιοειδών κβαντικών διεγέρσεων που ονομάζονται φωνόνια και αποτελούν τις δονήσεις, σε ομάδες ανά συχνότητα. Στη συνέχεια, κάθε ομάδα πρέπει να παραμείνει σε διαφορετική θέση. Για να το πετύχουν αυτό, και οι δύο ομάδες εμπνεύστηκαν από τον τρόπο με τον οποίο η κίνηση των ηλεκτρονίων, μιας άλλης κβαντικής έννοιας, σε λεπτά υλικά μπορεί να περιοριστεί όταν αυτά βυθίζονται σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία.
Οι ερευνητές σχεδίασαν τις συσκευές τους με μικροσκοπικά μοτίβα, όπως μικροσκοπικούς τριγωνικούς πυλώνες. Συνήθως, οι δονήσεις διαδίδονται μέσα στα στερεά με τρόπο σε μεγάλο βαθμό ακανόνιστο και χωρίς κατεύθυνση. Τα μοτίβα αυτά όμως σχεδιάστηκαν έτσι ώστε, όταν περνούσαν τα φωνόνια, η ταχύτητα και η κατεύθυνση της κίνησής τους να αλλάζουν, σαν να επηρεάζονταν από ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.
«Οι ερευνητές έχουν μετατρέψει τη γεωμετρία ενός συνηθισμένου στερεού σε ένα αποτελεσματικό τοπίο για να κατευθύνουν τις δονήσεις, σχεδόν σαν το τσιπ να περιείχε μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία σχεδιασμένα ειδικά για τον ήχο. Αυτό είναι τόσο εννοιολογικά όμορφο όσο και δυνητικά πολύ χρήσιμο», λέει ο Kosmas Tsakmakidis από το National and Kapodistrian University of Athens, στην Ελλάδα, ο οποίος συμμετείχε σε πρωτοποριακές μελέτες για τη χρήση διαμορφωμένων υλικών στην παγίδευση κυμάτων.
Αφού τα φωνόνια σχημάτισαν με αυτόν τον τρόπο ένα ουράνιο τόξο, ο Zheng και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δρομολόγηση ενός εισερχόμενου ελαστικού κύματος, όπως ακριβώς η καθοδήγησή του μέσα από μία μόνο χρωματική περιοχή.
Ο Chen και οι συνεργάτες του απεικόνισαν επίσης το δικό τους ουράνιο τόξο. Το δημιούργησαν από υπερηχητικό ήχο, πέρα από το ανθρώπινο ακοουστικό εύρος, φωτίζοντάς το με λέιζερ και καταγράφοντας τις δονήσεις που ακολούθησαν. «Το να παρατηρούμε τα υπερηχητικά κύματα να διαχωρίζονται ομαλά και να εντοπίζονται ακριβώς στις θέσεις που είχαμε προβλέψει ήταν μια απίστευτη εμπειρία», λέει ο Chen.
Ένα μοτίβο σκακιέρας, βασισμένο στο kirigami, την ιαπωνική τέχνη κοπής χαρτιού, επιτρέπει σε λεπτές και ελαφριές δομές να αντέχουν πολύ μεγαλύτερα φορτία.
Τα δύο πειράματα είναι τεχνικά εντυπωσιακά και προσφέρουν πειστική απόδειξη ότι ένα ελαστικό ουράνιο τόξο είναι κάτι που μπορεί να κατασκευαστεί και να χειριστεί πρακτικά, λέει ο Zi Jin Wong από το Eastern Institute of Technology στην Κίνα.
Η σύνδεση με τη φυσική των ηλεκτρονίων σημαίνει ότι αυτά τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να ανοίξουν τον δρόμο για τη διερεύνηση κβαντικών φαινομένων, καθώς και φαινομένων από την ειδική σχετικότητα του Albert Einstein, σε νέα υλικά, λέει ο Sebastien Guenneau από το Imperial College London. Τα δύο πειράματα θα μπορούσαν επίσης να οδηγήσουν στη δημιουργία νέων συσκευών, όπως φίλτρα δονήσεων, δρομολογητές υπερήχων, ευαίσθητοι μηχανικοί αισθητήρες ή συσκευές που συλλέγουν ενέργεια από ελαστικά κύματα, αναφέρει.
Ωστόσο, αυτές οι εφαρμογές δεν αναμένονται άμεσα, λέει ο Henning Schomerus από το Lancaster University στο Ηνωμένο Βασίλειο. Αυτό συμβαίνει επειδή οι υπάρχουσες συσκευές θα έπρεπε να γίνουν μικρότερες και η ποσότητα της δονητικής ενέργειας που παγιδεύεται μέσα στο ουράνιο τόξο θα έπρεπε να αυξηθεί, για παράδειγμα. Ο Chen λέει ότι η ομάδα του ήδη εργάζεται προς αυτή την κατεύθυνση. «Η μεθοδολογία μας δείχνει πολλά υποσχόμενη για υπερσυμπαγείς ακουστικές συσκευές on-chip», λέει.
Physical Review Letters DOI: 10.1103/rt58-kxy9
Physical Review Letters DOI: 10.1103/bkg4-9pr4
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
