Los científicos han encontrado una manera de hacer que el sonido viaje en una sola dirección

En nuestro mundo cotidiano, las olas son obstinadamente democráticas. Ya sea el sonido de una conversación, el brillo de una bombilla o las ondulaciones del océano, las olas tienden a fluir por igual en ambas direcciones. Hablas y tu voz viaja hasta tu amigo que está frente a ti, mientras la de él regresa hacia ti.

Nos gusta así. Pero ¿qué pasaría si necesitáramos que las ondas se movieran en una sola dirección, libres de interferencias, como los automóviles en una calle de sentido único?

Este es el tipo de control que acaba de lograr un equipo de investigadores de la ETH Zurich. 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 hicieron sin debilitar la fuerza del sonido.

El problema de las ondas reflejadas

La idea de controlar la propagación de las ondas, dirigiéndolas para que fluyan en una sola dirección, por ejemplo, ha atraído a los científicos durante años. Esto se debe a que les gusta resolver problemas del mundo real. En aplicaciones como radar o 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 reboten. Pero había un problema. Las olas que avanzan se debilitan en el proceso.

Por ello, un grupo de investigadores abordó el problema de frente. Los investigadores estaban basados ​​en ETH Zurich dirigidos por Nicolas Noiry, profesor de combustión, acústica y física de flujo. Con la ayuda de Romain Fleury de la EPFL, el equipo finalmente encontró una solución

Sus avances dependen de autooscilaciones: movimientos cíclicos en un sistema que se repiten sin influencia externa. Si bien estas oscilaciones son generalmente una molestia (e incluso peligrosas cuando causan vibraciones en los motores de los aviones), Noiry se dio cuenta de que podemos aprovecharlas para siempre: crear un camino unidireccional para las ondas sonoras.

Silbidos y olas

La solución de Noray es tan ingeniosa como sencilla. Imagine una cavidad en forma de disco, a través de la cual se sopla aire con la intensidad adecuada para crear un silbido. Pero éste no es un silbido cualquiera. En lugar de crear una onda estacionaria, donde el sonido va y viene dentro de un espacio, genera una onda giratoria.

El equipo de ETH Zurich pasó años trabajando en la mecánica de fluidos detrás de esta ola giratoria. Luego, agregaron tres caminos, o guías de ondas, dispuestos en un patrón triangular. Cuando una onda de sonido ingresa a 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 regresar. Se fuerza a seguir un tercer camino separado, lo que garantiza que el sonido viaje en una sola dirección.

El equipo probó su diseño con ondas sonoras a una frecuencia de alrededor de 800 Hertz, aproximadamente el tono de una nota alta de soprano. Y funcionó. La onda sonora no sólo viajó hacia adelante sin reflejarse hacia atrás, sino que incluso salió 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 puede trasladarse a otros sistemas», afirma Noiry.

Las posibilidades van mucho más allá del sonido. Este tipo de control unidireccional sobre el movimiento ondulatorio podría cambiar las reglas del juego para las tecnologías que dependen de ondas electromagnéticas, como los sistemas de radar, donde la precisión y la direccionalidad son cruciales. Los futuros sistemas de comunicación también pueden beneficiarse de esta nueva capacidad de abordar señales sin interferencias y guiarlas de manera eficiente a lo largo de circuitos topológicos.

En un campo que a menudo enfrenta límites estrictos, el equipo de Noiray descubrió un nuevo camino a seguir, literalmente.

Los hallazgos aparecieron en la revista. Comunicaciones de la naturaleza.