Nuevos avances de los aislantes topológicos por ondas de sonido

Una investigación en la que participa la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) analiza el futuro de los aislantes topológicos por ondas de sonido, es decir, materiales que se comportan como aislantes acústicos en su interior, pero que al mismo tiempo permiten el movimiento de ondas sonoras en su superficie. Esta línea de investigación podría encontrar aplicaciones en tecnologías de ultrasonidos industriales o en la mejora de algunas pruebas de diagnóstico médico como las ecografías.

En este tipo de sólidos, la señal sonora permanece robusta e insensible a la presencia de ruido ocasionada por impurezas y defectos en el material. En el marco de esta investigación, los científicos han descubierto que el aislante acústico topológico podría actuar como una guía de onda extremadamente robusta, capaz de irradiar sonido en un rayo muy estrecho hacia el campo lejano. Este rayo acústico enfocado podría ser extremadamente importante para aplicaciones como el ensayo no destructivo con ultrasonidos industriales o en la ecografía para diagnósticos en medicina y biología, apuntan los investigadores.

En el artículo, publicado recientemente en la revista Communications Physics junto con físicos de la Universidad de Nanjing (China) y la Universidad de Stanford (EEUU), los autores han revisado los estudios más recientes sobre el comportamiento de la materia en el mundo cuántico. Este ámbito de investigación está a la vanguardia de las ciencias físicas y ganó el Premio Nobel de Física del año 2016. Los científicos que han llevado a cabo este estudio quisieron comprobar si el fenómeno de los aislantes topológicos, tradicionalmente utilizados en la teoría de la física cuántica para controlar señales eléctricas, podría tener un efecto equivalente a partir de ondas sonoras.

“La idea era utilizar un concepto tan exótico que pudiera proporcionar posibilidades completamente nuevas para transductores acústicos, sensores y guías de onda. Además, desde un aspecto más físico, significaría que ciertos efectos físicos cuánticos tenían su equivalente en la física de las ondas sonoras clásica”, comenta uno de los autores del estudio, Johan Christensen, del departamento de Física de la UC3M.

El efecto valley-Hall

Para ello, los investigadores quisieron emular el llamado efecto valley-Hall, utilizado para investigar la conducción eléctrica en diversos materiales conductores y semiconductores. Dicho efecto establece que el campo magnético tiende a separar las cargas positivas de las negativas en sentidos opuestos, de modo que los “valleys” (valles) son máximos y mínimos de energías de electrones en un sólido cristalino. El equilibrio se restaura cuando la fuerza que ejerce el campo eléctrico generado por la distribución de cargas se opone a la fuerza que ejerce el campo magnético.

Con el deseo de emular una versión acústica de este efecto valley-Hall, los investigadores crearon un cristal macroscópico artificial inspirado en el tejido de cestas japonesas conocidas como 'kagome', sustituyendo el bambú por pequeños cilindros de resina epoxi. El funcionamiento de este cristal fue detallado el año pasado en varios artículos publicados por Johan Christensen en las revistas científicas Advanced materials y Physical review letters.

“Curiosamente, los estados topológicos acústicos relacionados en el efecto valley-Hall muestran un vórtice circulante que, para nuestra sorpresa, ha producido propiedades inesperadas y sin precedentes en las ondas de sonido”, explica Christensen. “Nuestro cristal Kagome mostró una increíble resistencia contra defectos, curvas y giros pronunciados al guiar sonido a lo largo de la superficie o una interfaz del cristal”.

Esta línea de investigación se desarrolla en el marco de un proyecto científico más amplio, una ERC Starting Grant Horizonte 2020 financiada por la Unión Europea (GA 714577) que se denomina Frontiers in Phononics: Parity-Time Symmetric Phononic Metamaterials (PHONOMETA). En este contexto, su objetivo es analizar y diseñar una nueva generación de semiconductores piezoeléctricos que permitan optimizar el funcionamiento de sistemas acústicos complejos.