Unos investigadores logran propagar el sonido en una sola dirección sin atenuación

Un equipo de científicos de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH) ha conseguido un hito en la propagación de ondas sonoras, logrando que estas viajen en una sola dirección sin perder energía. Este avance representa un potencial revolucionario para futuras aplicaciones técnicas, no solo en acústica, sino también en el campo de las ondas electromagnéticas.

Tradicionalmente, las ondas (sean de luz, agua o sonido) se propagan de manera simétrica hacia adelante y hacia atrás. Esto es lo que permite, por ejemplo, que dos personas mantengan una conversación a distancia. Sin embargo, en ciertos escenarios técnicos, la capacidad de controlar la dirección de las ondas sería preferible para evitar interferencias o reflejos no deseados, como ocurre con la luz o las microondas en sistemas de comunicación o radar.

Hace una década, los investigadores ya habían conseguido bloquear la propagación del sonido en una dirección específica. Sin embargo, este proceso también atenuaba las ondas que avanzaban hacia adelante, un obstáculo que ha persistido hasta ahora. Bajo la dirección del profesor Nicolas Noiray y en colaboración con Romain Fleury del EPFL, los investigadores han desarrollado una técnica innovadora que elimina la propagación hacia atrás sin comprometer la intensidad de las ondas que avanzan hacia adelante.

Este descubrimiento, publicado en la revista científica Nature Communications, podría tener aplicaciones no solo en la acústica, sino también en el campo de las ondas electromagnéticas, lo que abre nuevas posibilidades para la mejora de sistemas de radar, comunicaciones y más.

La innovación detrás de este avance radica en el uso de autooscilaciones, un fenómeno en el que un sistema dinámico repite su comportamiento de manera periódica. Este fenómeno ha sido estudiado durante años por Noiray, quien se especializa en la interacción entre las ondas sonoras y las llamas en la combustión de motores a reacción, un área de investigación crítica para prevenir vibraciones peligrosas que podrían dañar o incluso destruir motores.

A partir de este conocimiento, Noiray ideó un método para utilizar oscilaciones aeroacústicas autosostenidas inofensivas con el fin de controlar la propagación de las ondas sonoras. Este control se logra a través de un "circulador", un dispositivo que guía las ondas sonoras en una única dirección, compensando cualquier pérdida de energía mediante sincronización con las autooscilaciones.

El circulador desarrollado por el equipo consta de una cavidad en forma de disco, donde se inyecta aire en forma de remolino a través de una abertura central. Cuando el aire se mueve a una velocidad y una intensidad específicas, se genera un sonido similar a un silbido. No obstante, a diferencia de los silbidos convencionales que producen ondas estacionarias, en este caso se genera una onda giratoria.

Para demostrar la funcionalidad del circulador, los investigadores añadieron tres guías de ondas acústicas alrededor del borde del dispositivo. Las ondas sonoras que ingresan a través de una guía pueden salir por la segunda, pero si ingresan por la segunda no pueden volver hacia la primera, debiendo salir por la tercera.

Tras años de desarrollo teórico y modelado, el equipo de la ETH pudo finalmente llevar a cabo una prueba experimental exitosa. Utilizando una onda sonora de aproximadamente 800 hercios, los investigadores observaron que la onda no se propagaba hacia atrás, como se esperaba, sino que incluso se amplificaba al avanzar en la dirección deseada.

"Este concepto de propagación de ondas no recíproca con compensación de pérdidas es, en nuestra opinión, un resultado importante que también se puede transferir a otros sistemas", afirmó Noiray . Se trata de un fenómeno que podría ser aplicado en otros sistemas de ondas, como las microondas o las ondas electromagnéticas, este método abre la puerta a nuevas posibilidades para guiar las señales de forma más eficiente en diversos sistemas de comunicaciones y radar.

Este innovador método de manipulación de ondas mediante autooscilaciones sincronizadas tiene el potencial de transformar la forma en que interactuamos con las ondas en una amplia gama de tecnologías. Uno de los campos donde este avance podría tener un impacto considerable es en la creación de circuitos topológicos, que permitirían enrutar señales de manera más eficiente en los futuros sistemas de comunicaciones.

Además, la posibilidad de aplicar este concepto a metamateriales para ondas electromagnéticas podría mejorar la forma en que se guían y procesan las señales en dispositivos electrónicos, como los sistemas de radar y las telecomunicaciones. Este avance podría marcar el comienzo de una nueva era en el control de ondas, revolucionando campos como la ingeniería acústica y electromagnética. @mundiario