Rotons: Quando o som viaja de marcha-a-ré

Redação do Site Inovação Tecnológica - 11/06/2021

Os metamateriais para manipular os rotons são mais complexos que aqueles usados para fazer mantos de invisibilidade.
[Imagem: Yi Chen/KIT]

Rotons

As ondas acústicas geralmente viajam a uma velocidade quase constante do som, seja atravessando gases, líquidos ou sólidos.

O portador típico da onda sonora é uma quasipartícula chamada fônon - um quantum de vibração.

Mas existem também os rotons, quasipartículas - o que significa que elas se comportam de forma semelhante às partículas livres - que são uma exceção notável.

Ao contrário das ondas acústicas comuns, a velocidade do som transportado pelos rotons muda significativamente com o comprimento de onda.

E não é só isso: elas podem viajar para trás e certas frequências podem gerar até três ondas parciais diferentes.

Rotons na prática

Compreender e tirar proveito dos rotons é um dos desafios que a física quântica enfrenta desde que Lev Landau (Prêmio Nobel de Física em 1962) previu sua existência no contexto da superfluidez, uma condição na qual um fluido perde seu atrito interno e se torna termicamente condutor de uma forma quase ideal.

De fato, até agora os rotons só haviam sido observados nessas condições especiais, em temperaturas próximas ao zero absoluto - portanto, em condições inadequadas para aplicações técnicas.

Mas Yi Chen e seus colegas do Instituto de Tecnologia Karlsruhe, na Alemanha, descobriram agora que pode ser possível criar e explorar os rotons em condições ambientais usando materiais artificiais.

Esses metamateriais, projetados por computador e produzidos por impressão 3D ou pelas técnicas da microeletrônica, poderão ser usados para manipular ou direcionar o som de maneiras impossíveis até agora, da mesma maneira que eles fazem com as ondas de luz, de calor, de terremotos e etc.

As "células" do material artificial são projetadas de acordo com o que se deseja fazer com as ondas.
[Imagem: Yi Chen et al. - 10.1038/s41467-021-23574-2]

Metamateriais para manipular o som

Os metamateriais são projetados para apresentar propriedades ópticas, acústicas, elétricas ou magnéticas que não são encontradas na natureza - suas propriedades dependem da sua estrutura, não da sua composição química.

Yi Chen está propondo construir um desses materiais artificiais para produzir rotons sem quaisquer efeitos quânticos envolvidos, em condições ambientais normais e em frequências - ou comprimentos de onda - quase aleatórios.

Assim, se tornará possível manipular as ondas sonoras - seja no ar ou atravessando materiais - em operações impossíveis hoje, por exemplo, redirecioná-las, criar ecos ou fazê-las retornar à origem.

Esses materiais ainda não foram fabricados experimentalmente, mas a equipe afirma que é possível produzi-los usando tecnologias como a impressão 3D a laser ultraprecisa.

"Nós até mesmo fizemos alguns desses metamateriais nesse meio tempo," adianta o professor Martin Wegener, um especialista em impressão 3D em nanoescala. "Atualmente, estamos trabalhando intensamente na prova experimental direta da existência dos rotons."

Nestes primeiros experimentos, os pesquisadores usaram uma combinação de simulações numéricas e otimizações para fazer o projeto virtual auxiliado por computador de materiais com diversas novas propriedades, de forma que a receita já está pronta.

"Em geral, nosso sonho é projetar materiais no computador e, em seguida, transformá-los diretamente em realidade - sem anos de tentativa e erro. Portanto, a impressão 3D é apenas um conversor automatizado, por assim dizer, do mundo digital para o físico," disse Wegener.

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