En nuestro mundo cotidiano, las ondas son obstinadamente democráticas. Ya sea que se trate del sonido de una conversación, el resplandor de una bombilla o las ondulaciones del océano, las ondas tienden a fluir por igual en ambas direcciones. Hablas y tu voz viaja hasta tu amigo que está frente a ti, del mismo modo que la de él te llega a ti.
Nos gusta así. Pero ¿qué pasaría si necesitáramos que las ondas se movieran en una sola dirección, sin interferencias, como los coches en una calle de un solo sentido?
Ese es el tipo de control que acaba de lograr un equipo de investigadores de la ETH de Zúrich. Después de años de esfuerzo, han descubierto cómo dirigir las ondas sonoras para que viajen hacia adelante, pero nunca hacia atrás. Es una hazaña que podría tener enormes implicaciones para las tecnologías futuras, desde los sistemas de comunicación hasta el radar, y lo han hecho sin debilitar la fuerza del sonido.
El problema de las ondas reflejadas
La idea de controlar la propagación de las ondas (dirigirlas para que fluyan en una sola dirección, por ejemplo) ha atraído a los científicos durante años. Esto se debe a que les gustaría resolver problemas del mundo real. En aplicaciones como el radar o las comunicaciones, las ondas reflejadas pueden causar interferencias, distorsionar las señales o reducir la eficiencia.
Hace diez años, los investigadores lograron evitar que las ondas sonoras rebotaran. Pero había un problema: las ondas que avanzaban se debilitaban en el proceso.
Entonces, un grupo de investigadores abordó el problema de frente. Los investigadores estaban basados en la ETH de Zúrich y estaban dirigidos por Nicolas Noiray, profesor de combustión, acústica y física de flujo. Con la ayuda de Romain Fleury de la EPFL, el equipo finalmente encontró una solución.
Su avance depende de las autooscilaciones, movimientos cíclicos en un sistema que se repiten sin influencia externa. Si bien estas oscilaciones suelen ser una molestia (e incluso peligrosas cuando causan vibraciones en los motores de los aviones), Noiray se dio cuenta de que podríamos aprovecharlas para el bien: para crear una calle de un solo sentido para las ondas sonoras.
Silbidos y ondas
La solución de Noiray es tan ingeniosa como simple. Imaginemos una cavidad en forma de disco por la que se sopla aire con la intensidad justa para crear un sonido silbante. Pero no se trata de un silbido normal. En lugar de crear una onda estacionaria, en la que el sonido rebota de un lado a otro dentro de un espacio, este genera una onda giratoria.
El equipo de la ETH de Zúrich pasó años trabajando en la mecánica de fluidos detrás de esta onda giratoria. Luego, añadieron tres vías, o guías de ondas, dispuestas en un patrón triangular. Cuando una onda de sonido entra en la primera guía de ondas, viaja suavemente a través del circulador hasta la segunda guía de ondas. Pero si el sonido intenta entrar por la segunda guía de ondas, no puede volver. Se ve obligado a seguir un tercer camino separado, lo que garantiza que el sonido sólo se mueva en una dirección.
El equipo probó su diseño con ondas de sonido a una frecuencia de unos 800 hercios, aproximadamente el tono de una nota alta de soprano. Y funcionó. No solo la onda de sonido viajó hacia adelante sin reflejarse hacia atrás, sino que incluso emergió más fuerte que antes, gracias al impulso de energía de las autooscilaciones del circulador.
“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”, afirma Noiray.
Las posibilidades van mucho más allá del sonido. Este tipo de control unidireccional sobre el movimiento de las ondas podría ser un punto de inflexión para las tecnologías que dependen de las ondas electromagnéticas, como los sistemas de radar, donde la precisión y la direccionalidad son cruciales. Los sistemas de comunicación futuros también podrían beneficiarse de esta nueva capacidad de enrutar señales sin interferencias, guiándolas de manera eficiente a lo largo de circuitos topológicos. En un campo que a menudo se enfrenta a límites estrictos, el equipo de Noiray ha descubierto una nueva forma de avanzar, literalmente.
Los hallazgos aparecieron en la revista Nature Communications.
Fuente: ZME Science.
