Redemoinhos de som dão novos poderes à levitação acústica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/10/2021

O fenômeno é inesperado porque ondas sonoras não têm um spin associado.
[Imagem: Hao Ge et al. - 10.1103/PhysRevLett.127.144502]

Redemoinhos de som

Físicos chineses conseguiram criar redemoinhos de ondas acústicas, uma técnica que permite dar um salto de qualidade nas tecnologias de levitação e manipulação de pequenos objetos.

A levitação acústica e as pinças sônicas vieram complementar e ampliar os trabalhos feitos pelas pinças de luz, permitindo manipular objetos maiores, saindo do reino microscópico e chegando a pequenos objetos visíveis a olho nu.

Essas tecnologias sônicas funcionam usando matrizes de alto-falantes, geralmente de formato hemisférico, que emitem ondas na faixa do ultrassom para gerar campos acústicos 3D, que capturam e movimentam os objetos - seu funcionamento é explicado pela força de radiação acústica.

Como os conjuntos de alto-falantes são grandes e impõem limitações às aplicações práticas, Hao Ge e colegas da Universidade Nanjing foram buscar auxílio no campo dos metamateriais, materiais que permitem manipular ondas dos mais diversos tipos, inclusive ondas sonoras.

Os alto-falantes continuam lá, embora sejam apenas 12, mas o som agora é dirigido para a metassuperfície, onde uma matriz de furos hexagonais funciona como "antenas", dirigindo e controlando os campos acústicos.

Mas foi quando a equipe começou a testar seu novo "raio trator sônico" que veio a grande surpresa do experimento.

A técnica promete um novo nível de controle para os raios tratores e pinças sônicas.
[Imagem: Hao Ge et al. - 10.1103/PhysRevLett.127.144502]

Skyrmions acústicos

A matriz de furos hexagonais aprisiona as ondas sonoras, que decaem exponencialmente conforme se projetam acima da superfície. Isso criou um padrão periódico de redemoinhos acústicos, que a equipe detectou mapeando a velocidade 3D do ar.

A maior surpresa é que esses redemoinhos são em tudo similares aos já bem conhecidos skyrmions, quasipartículas superficiais (ou topológicas) que vêm sendo utilizadas em modos inovadores para o armazenamento e processamento magnético de informações.

O que ninguém esperava é que skyrmions aparecessem em ondas escalares, como as sonoras - os skyrmions emergem tradicionalmente como quasipartículas estáveis em campos vetoriais, com seus tradicionais spins, como no caso da luz e do magnetismo.

Segundo a equipe, a explicação para o surgimento dos skyrmions de som é uma propriedade das ondas acústicas que poucas vezes é levada em conta: Embora as oscilações de densidade que constituem essas ondas não tenham uma orientação intrínseca (um spin), elas são acompanhadas por um movimento coerente do meio acústico local. É neste campo de velocidade 3D que os skyrmions acústicos se formam.

A equipe demonstrou que é possível manipular os redemoinhos de som modulando as ondas acústicas: Mudar a amplitude das ondas altera a forma dos skyrmions, enquanto mudar as fases das ondas movimenta os skyrmions através da metassuperfície.

Além de construir novas pinças acústicas mais poderosas, a equipe pretende pesquisar a possibilidade de criação de outras estruturas superficiais estáveis usando as muitas alternativas oferecidas pelos metamateriais e metassuperfícies.

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