Un metamaterial acústico , cristal sónico o cristal fonónico es un material diseñado para controlar, dirigir y manipular ondas sonoras o fonones en gases , líquidos y sólidos ( redes cristalinas ). El control de las ondas sonoras se logra mediante la manipulación de parámetros como el módulo volumétrico β , la densidad ρ y la quiralidad . Pueden diseñarse para transmitir o atrapar y amplificar ondas sonoras a determinadas frecuencias. En este último caso, el material es un resonador acústico .
Los metamateriales acústicos se utilizan para modelar e investigar fenómenos acústicos de escala extremadamente grande, como las ondas sísmicas y los terremotos , pero también fenómenos de escala extremadamente pequeña, como los átomos. Esto último es posible gracias a la ingeniería de brecha de banda: los metamateriales acústicos pueden diseñarse de manera que presenten brechas de banda para los fonones, de manera similar a la existencia de brechas de banda para los electrones en sólidos o los orbitales de los electrones en átomos. Eso también ha hecho que el cristal fonónico sea un componente cada vez más investigado en tecnologías cuánticas y experimentos que investigan la mecánica cuántica . Las ramas importantes de la física y la tecnología que dependen en gran medida de los metamateriales acústicos son la investigación de materiales de índice de refracción negativo y la optomecánica (cuántica) .
Los metamateriales acústicos se han desarrollado a partir de la investigación y los hallazgos en metamateriales . Victor Veselago propuso originalmente un material novedoso en 1967, pero no se materializó hasta unos 33 años después. John Pendry produjo los elementos básicos de los metamateriales a fines de la década de 1990. Sus materiales se combinaron con materiales de índice negativo desarrollados por primera vez en 2000, ampliando las posibles respuestas ópticas y materiales. La investigación en metamateriales acústicos tiene el mismo objetivo de respuestas materiales más amplias con ondas sonoras. [2] [3] [4] [5] [6]
La investigación que emplea metamateriales acústicos comenzó en 2000 con la fabricación y demostración de cristales sónicos en un líquido. [7] A esto le siguió la transposición del comportamiento del resonador de anillo dividido a la investigación en metamateriales acústicos. [8] Después de esto, se produjeron parámetros doblemente negativos (módulo volumétrico negativo β eff y densidad negativa ρ eff ) mediante este tipo de medio. [9] Luego, un grupo de investigadores presentó el diseño y los resultados de las pruebas de una lente metamaterial ultrasónica para enfocar a 60 kHz. [10]
La ingeniería acústica se ocupa generalmente del control del ruido , la ecografía médica , el sonar , la reproducción del sonido y cómo medir algunas otras propiedades físicas utilizando el sonido. Con los metamateriales acústicos, la dirección del sonido a través del medio se puede controlar manipulando el índice de refracción acústica. Por lo tanto, las capacidades de las tecnologías acústicas tradicionales se amplían, por ejemplo, pudiendo eventualmente ocultar ciertos objetos de la detección acústica.
Las primeras aplicaciones industriales exitosas de metamateriales acústicos se probaron para el aislamiento de aeronaves. [11]
Las propiedades de los metamateriales acústicos suelen surgir de la estructura más que de la composición, con técnicas como la fabricación controlada de pequeñas inhomogeneidades para lograr un comportamiento macroscópico efectivo. [4] [12]
El módulo volumétrico β es una medida de la resistencia de una sustancia a la compresión uniforme. Se define como la relación entre el aumento de presión necesario para provocar una disminución relativa dada del volumen.
La densidad de masa (o simplemente "densidad") de un material se define como masa por unidad de volumen y se expresa en gramos por centímetro cúbico (g/cm 3 ). [13] En los tres estados clásicos de la materia (gas, líquido o sólido), la densidad varía con un cambio de temperatura o presión, siendo los gases los más susceptibles a esos cambios. El espectro de densidades es amplio: desde 10 15 g/cm 3 para las estrellas de neutrones , 1,00 g/cm 3 para el agua, hasta 1,2×10 −3 g/cm 3 para el aire. [13] Otros parámetros relevantes son la densidad de área , que es la masa sobre un área (bidimensional), la densidad lineal (masa sobre una línea unidimensional) y la densidad relativa , que es una densidad dividida por la densidad de un material de referencia, como el agua.
En el caso de los materiales acústicos y los metamateriales acústicos, tanto el módulo volumétrico como la densidad son parámetros componentes que definen su índice de refracción. El índice de refracción acústico es similar al concepto utilizado en óptica , pero se refiere a ondas de presión o de corte , en lugar de ondas electromagnéticas .
Los metamateriales acústicos o cristales fonónicos pueden entenderse como el análogo acústico de los cristales fotónicos : en lugar de ondas electromagnéticas (fotones) que se propagan a través de un material con un índice de refracción óptico modificado periódicamente (lo que resulta en una velocidad de la luz modificada ), el cristal fonónico comprende ondas de presión (fonones) que se propagan a través de un material con un índice de refracción acústico modificado periódicamente, lo que resulta en una velocidad del sonido modificada .
Además de los conceptos paralelos de índice de refracción y estructura cristalina, las ondas electromagnéticas y las ondas acústicas se describen matemáticamente mediante la ecuación de onda .
La realización más simple de un metamaterial acústico constituiría la propagación de una onda de presión a través de una placa con un índice de refracción periódicamente modificado en una dimensión. En ese caso, el comportamiento de la onda a través de la placa o 'pila' puede predecirse y analizarse utilizando matrices de transferencia . Este método es omnipresente en óptica, donde se utiliza para la descripción de ondas de luz que se propagan a través de un reflector de Bragg distribuido .
En ciertas bandas de frecuencia , la densidad de masa efectiva y el módulo volumétrico pueden volverse negativos. Esto da como resultado un índice de refracción negativo . El enfoque de losa plana , que puede dar como resultado una súper resolución , es similar a los metamateriales electromagnéticos. Los parámetros doblemente negativos son el resultado de resonancias de baja frecuencia . [14] En combinación con una polarización bien definida durante la propagación de ondas; k = | n | ω , es una ecuación para el índice de refracción a medida que las ondas sonoras interactúan con los metamateriales acústicos (abajo): [15]
Los parámetros inherentes del medio son la densidad de masa ρ , el módulo volumétrico β y la quiralidad k . La quiralidad, o lateralidad, determina la polaridad de la propagación de la onda ( vector de onda ). Por lo tanto, dentro de la última ecuación, las soluciones de tipo Veselago (n 2 = u *ε) son posibles para la propagación de la onda ya que el estado negativo o positivo de ρ y β determina la propagación de la onda hacia adelante o hacia atrás. [15]
En los metamateriales electromagnéticos, se puede encontrar permitividad negativa en los materiales naturales. Sin embargo, la permeabilidad negativa tiene que crearse intencionalmente en el medio de transmisión artificial . En el caso de los materiales acústicos, ni ρ ni β negativos se encuentran en los materiales naturales; [15] se derivan de las frecuencias resonantes de un medio de transmisión fabricado artificialmente, y dichos valores negativos son una respuesta anómala. ρ o β negativos significan que a ciertas frecuencias el medio se expande cuando experimenta compresión (módulo negativo) y se acelera hacia la izquierda cuando se lo empuja hacia la derecha (densidad negativa). [15]
El espectro electromagnético se extiende desde las frecuencias bajas utilizadas en la radio moderna hasta la radiación gamma en el extremo de longitud de onda corta, abarcando longitudes de onda que van desde miles de kilómetros hasta una fracción del tamaño de un átomo. En comparación, las frecuencias infrasónicas varían de 20 Hz a 0,001 Hz, las frecuencias audibles van de 20 Hz a 20 kHz y el rango ultrasónico está por encima de los 20 kHz.
Mientras que las ondas electromagnéticas pueden viajar en el vacío, la propagación de ondas acústicas requiere un medio.
En una estructura reticular rígida, los átomos ejercen fuerza entre sí, manteniendo el equilibrio. La mayoría de estas fuerzas atómicas, como los enlaces covalentes o iónicos , son de naturaleza eléctrica. La fuerza magnética y la fuerza de gravedad son despreciables. [16] Debido a la unión entre ellos, el desplazamiento de uno o más átomos de sus posiciones de equilibrio da lugar a un conjunto de ondas de vibración que se propagan a través de la red. Una de estas ondas se muestra en la figura de la derecha. La amplitud de la onda está dada por los desplazamientos de los átomos desde sus posiciones de equilibrio. La longitud de onda λ está marcada. [17]
Existe una longitud de onda mínima posible , dada por la separación de equilibrio a entre átomos. Cualquier longitud de onda más corta que ésta puede ser mapeada en una longitud de onda larga, debido a efectos similares al aliasing . [17]
Las aplicaciones de la investigación de metamateriales acústicos incluyen la reflexión de ondas sísmicas y las tecnologías de control de vibraciones relacionadas con los terremotos , así como la detección de precisión . [14] [7] [18] Los cristales fonónicos pueden diseñarse para exhibir brechas de banda para fonones, similares a la existencia de brechas de banda para electrones en sólidos y a la existencia de orbitales de electrones en átomos. Sin embargo, a diferencia de los átomos y los materiales naturales, las propiedades de los metamateriales pueden ajustarse (por ejemplo, a través de la microfabricación ). Por esa razón, constituyen un banco de pruebas potencial para la física fundamental y las tecnologías cuánticas . [19] [20] También tienen una variedad de aplicaciones de ingeniería, por ejemplo, se usan ampliamente como un componente mecánico en sistemas optomecánicos . [21]
En 2000, la investigación de Liu et al. allanó el camino hacia los metamateriales acústicos a través de cristales sónicos , que presentan brechas espectrales dos órdenes de magnitud más pequeñas que la longitud de onda del sonido. Las brechas espectrales impiden la transmisión de ondas a frecuencias prescritas. La frecuencia se puede ajustar a los parámetros deseados variando el tamaño y la geometría. [7]
El material fabricado consistía en bolas de plomo macizo de alta densidad como núcleo, de un centímetro de tamaño y recubiertas con una capa de 2,5 mm de silicona de caucho . Estas se dispusieron en una estructura de red cristalina cúbica de 8 × 8 × 8. Las bolas se cementaron en la estructura cúbica con un epoxi . La transmisión se midió en función de la frecuencia de 250 a 1600 Hz para un cristal sónico de cuatro capas. Una placa de dos centímetros absorbió el sonido que normalmente requeriría un material mucho más grueso, a 400 Hz. Se observó una caída en la amplitud a 400 y 1100 Hz. [7] [22]
Las amplitudes de las ondas sonoras que penetraban en la superficie se compararon con las ondas sonoras en el centro de la estructura. Las oscilaciones de las esferas revestidas absorbieron energía sónica, lo que creó la brecha de frecuencia; la energía sonora se absorbió exponencialmente a medida que aumentaba el espesor del material. El resultado clave fue la constante elástica negativa creada a partir de las frecuencias resonantes del material.
Las aplicaciones proyectadas de los cristales sónicos son la reflexión de ondas sísmicas y los ultrasonidos. [7] [22]
En 2004, los resonadores de anillos partidos (SRR) se convirtieron en objeto de investigación de metamateriales acústicos. Un análisis de las características de la brecha de banda de frecuencia, derivadas de las propiedades limitantes inherentes de los SRR creados artificialmente, se realizó en paralelo a un análisis de cristales sónicos. Las propiedades de brecha de banda de los SRR se relacionaron con las propiedades de brecha de banda de los cristales sónicos. Inherente a esta investigación hay una descripción de las propiedades mecánicas y los problemas de la mecánica del medio continuo para los cristales sónicos, como una sustancia macroscópicamente homogénea. [18]
La correlación en las capacidades de separación de banda incluye elementos resonantes localmente y módulos elásticos que operan en un rango de frecuencias determinado. Los elementos que interactúan y resuenan en su respectiva área localizada están incrustados en todo el material. En los metamateriales acústicos, los elementos resonantes localmente serían la interacción de una única esfera de goma de 1 cm con el líquido circundante. Los valores de las frecuencias de banda de supresión y de separación de banda se pueden controlar eligiendo el tamaño, los tipos de materiales y la integración de estructuras microscópicas que controlan la modulación de las frecuencias. Estos materiales pueden entonces proteger las señales acústicas y atenuar los efectos de las ondas de corte antiplanares. Al extrapolar estas propiedades a escalas mayores, podría ser posible crear filtros de ondas sísmicas (véase Metamateriales sísmicos ). [18]
Los metamateriales en matriz pueden crear filtros o polarizadores de ondas electromagnéticas o elásticas . Se han desarrollado métodos que se pueden aplicar al control de bandas de detención y de brechas de banda bidimensionales con estructuras fotónicas o sónicas. [18] De manera similar a la fabricación de metamateriales fotónicos y electromagnéticos, un metamaterial sónico se integra con fuentes localizadas de parámetros de densidad de masa ρ y módulo volumétrico β, que son análogos a la permitividad y la permeabilidad, respectivamente. Los metamateriales sónicos (o fonónicos) son cristales sónicos. Estos cristales tienen un núcleo de plomo sólido y un revestimiento de silicona más suave y elástico . [7] Los cristales sónicos tenían resonancias localizadas incorporadas debido a las esferas recubiertas que dan como resultado curvas de dispersión casi planas . Movchan y Guenneau analizaron y presentaron brechas de banda de baja frecuencia e interacciones de ondas localizadas de las esferas recubiertas. [18]
Este método se puede utilizar para ajustar los intervalos de banda inherentes al material y para crear nuevos intervalos de banda de baja frecuencia. También es aplicable para diseñar guías de onda de cristales fonónicos de baja frecuencia. [18]
Los cristales fonónicos son materiales sintéticos formados por la variación periódica de las propiedades acústicas del material (es decir, elasticidad y masa). Una de sus principales propiedades es la posibilidad de tener una brecha de banda fonónica. Un cristal fonónico con brecha de banda fonónica evita que los fonones de rangos seleccionados de frecuencias se transmitan a través del material . [24] [25]
Para obtener la estructura de banda de frecuencia de un cristal fonónico, se aplica el teorema de Bloch a una única celda unitaria en el espacio reticular recíproco ( zona de Brillouin ). Existen varios métodos numéricos disponibles para este problema, como el método de expansión de ondas planas , el método de elementos finitos y el método de diferencias finitas . [26]
Para acelerar el cálculo de la estructura de la banda de frecuencia, se puede utilizar el método de expansión de modo de Bloch reducida (RBME). [26] El RBME se aplica "encima" de cualquiera de los métodos numéricos de expansión primarios mencionados anteriormente. Para modelos de celdas unitarias grandes, el método RBME puede reducir el tiempo de cálculo de la estructura de banda hasta en dos órdenes de magnitud.
La base de los cristales fonónicos se remonta a Isaac Newton, quien imaginó que las ondas sonoras se propagaban a través del aire de la misma manera que una onda elástica se propagaría a lo largo de una red de masas puntuales conectadas por resortes con una constante de fuerza elástica E. Esta constante de fuerza es idéntica al módulo del material . Con cristales fonónicos de materiales con diferentes módulos, los cálculos son más complicados que este modelo simple. [24] [25]
Un factor clave para la ingeniería de brechas de banda acústica es el desajuste de impedancia entre los elementos periódicos que componen el cristal y el medio circundante. Cuando un frente de onda que avanza se encuentra con un material con una impedancia muy alta, tenderá a aumentar su velocidad de fase a través de ese medio. Del mismo modo, cuando el frente de onda que avanza se encuentra con un medio de baja impedancia, se ralentizará. Este concepto se puede explotar con disposiciones periódicas de elementos con desajuste de impedancia para afectar las ondas acústicas en el cristal. [24] [25]
La posición de la brecha de banda en el espacio de frecuencia para un cristal fonónico está controlada por el tamaño y la disposición de los elementos que comprenden el cristal. El ancho de la brecha de banda generalmente está relacionado con la diferencia en la velocidad del sonido (debido a las diferencias de impedancia) a través de los materiales que forman el compuesto. [24] [25] Los cristales fonónicos reducen eficazmente el ruido de baja frecuencia, ya que sus sistemas localmente resonantes actúan como filtros de frecuencia espacial. Sin embargo, tienen brechas de banda estrechas, imponen peso adicional en el sistema primario y funcionan solo en el rango de frecuencia ajustado. Para ampliar las brechas de banda, las celdas unitarias deben ser de gran tamaño o contener materiales densos. Como solución a las desventajas mencionadas anteriormente de los cristales fonónicos, [27] propone una novedosa metaestructura reentrante ligera tridimensional compuesta por un dispersor de haz en forma de cruz incrustado en una placa huésped con orificios basada en el metamaterial de red cuadrada. Al combinar el mecanismo de redes de reentrada y la teoría de Floquet-Bloch, sobre la base de la teoría de haces en forma de cruz y el mecanismo de perforación, se demostró que una estructura fonónica tan liviana puede filtrar ondas elásticas en un amplio rango de frecuencias (no solo en una región estrecha específica) y al mismo tiempo reducir el peso de la estructura en un grado significativo.
Los metamateriales electromagnéticos (isotrópicos) tienen estructuras resonantes incorporadas que exhiben permitividad negativa efectiva y permeabilidad negativa para algunos rangos de frecuencia. Por el contrario, es difícil construir materiales acústicos compuestos con resonancias incorporadas de modo que las dos funciones de respuesta efectivas sean negativas dentro de la capacidad o rango del medio de transmisión . [9]
La densidad de masa ρ y el módulo volumétrico β dependen de la posición. Utilizando la formulación de una onda plana, el vector de onda es: [9]
Con frecuencia angular representada por ω , y c siendo la velocidad de propagación de la señal acústica a través del medio homogéneo . Con densidad y módulo volumétrico constantes como constituyentes del medio, el índice de refracción se expresa como n 2 = ρ / β. Para desarrollar una onda plana que se propague a través del material, es necesario que tanto ρ como β sean positivos o negativos. [9]
Cuando se alcanzan los parámetros negativos, el resultado matemático del vector de Poynting está en la dirección opuesta del vector de onda . Esto requiere negatividad en el módulo volumétrico y la densidad. Los materiales naturales no tienen una densidad negativa o un módulo volumétrico negativo, pero los valores negativos son matemáticamente posibles y se pueden demostrar al dispersar caucho blando en un líquido. [9] [28] [29]
Incluso para los materiales compuestos, el módulo volumétrico efectivo y la densidad deberían estar normalmente limitados por los valores de los constituyentes, es decir, la derivación de los límites inferior y superior para los módulos elásticos del medio. La expectativa de un módulo volumétrico positivo y una densidad positiva es intrínseca. Por ejemplo, la dispersión de partículas sólidas esféricas en un fluido da como resultado la relación gobernada por la gravedad específica cuando interactúan con la longitud de onda acústica larga (sonido). Matemáticamente, se puede demostrar que β eff y ρ eff son definitivamente positivos para los materiales naturales. [9] [28] La excepción ocurre a bajas frecuencias de resonancia. [9]
Como ejemplo, la doble negatividad acústica se demuestra teóricamente con un compuesto de esferas de caucho de silicona blanda suspendidas en agua. [9] En el caucho blando, el sonido viaja mucho más lento que a través del agua. El alto contraste de velocidades del sonido entre las esferas de caucho y el agua permite la transmisión de frecuencias monopolares y dipolares muy bajas. Esto es análogo a la solución analítica para la dispersión de la radiación electromagnética, o dispersión de ondas planas electromagnéticas , por partículas esféricas: esferas dieléctricas . [9]
Por lo tanto, existe un rango estrecho de frecuencias normalizadas 0,035 < ωa/(2πc) < 0,04 donde el módulo volumétrico y la densidad negativa son ambos negativos. Aquí a es la constante de red si las esferas están dispuestas en una red cúbica centrada en las caras (fcc); ω es la frecuencia angular y c es la velocidad de la señal acústica. El módulo volumétrico efectivo y la densidad cerca del límite estático son positivos como se predijo. La resonancia monopolar crea un módulo volumétrico negativo por encima de la frecuencia normalizada en aproximadamente 0,035, mientras que la resonancia dipolar crea una densidad negativa por encima de la frecuencia normalizada en aproximadamente 0,04. [9]
Este comportamiento es análogo a las resonancias de baja frecuencia producidas en los SRR (metamaterial electromagnético). Los cables y los anillos partidos crean una respuesta dipolar eléctrica y magnética intrínseca. Con este metamaterial acústico construido artificialmente de esferas de goma y agua, solo una estructura (en lugar de dos) crea las resonancias de baja frecuencia para lograr una doble negatividad. [9] Con la resonancia monopolar, las esferas se expanden, lo que produce un cambio de fase entre las ondas que pasan a través de la goma y el agua. Esto crea una respuesta negativa. La resonancia dipolar crea una respuesta negativa de modo que la frecuencia del centro de masa de las esferas está desfasada con el vector de onda de la onda sonora (señal acústica). Si estas respuestas negativas son lo suficientemente grandes como para compensar el fluido de fondo, se puede tener tanto un módulo volumétrico efectivo negativo como una densidad efectiva negativa. [9]
Tanto la densidad de masa como el módulo volumétrico recíproco disminuyen en magnitud lo suficientemente rápido como para que la velocidad de grupo se vuelva negativa (doble negatividad). Esto da lugar a los resultados deseados de refracción negativa. La doble negatividad es una consecuencia de la resonancia y las propiedades de refracción negativa resultantes.
En 2007 se informó sobre un metamaterial que posee simultáneamente un módulo volumétrico negativo y una densidad de masa negativa. Este metamaterial es una estructura de blenda de zinc que consta de una matriz de esferas de agua con burbujas (BWS) y otra matriz de esferas de oro recubiertas de caucho (RGS) relativamente desplazada en una resina epoxi especial. [30]
El módulo volumétrico negativo se consigue mediante resonancias monopolares de la serie BWS. La densidad de masa negativa se consigue con resonancias dipolares de la serie de esferas de oro. En lugar de esferas de goma en líquido, se trata de un material de base sólida. Esto también es hasta ahora una realización de módulo volumétrico y densidad de masa negativos simultáneamente en un material de base sólida, lo que es una distinción importante. [30]
Los resonadores de doble C (DCR) son anillos cortados por la mitad, que pueden disponerse en configuraciones de celdas múltiples, de manera similar a los SRRS. Cada celda consta de un gran disco rígido y dos ligamentos delgados, y actúa como un oscilador diminuto conectado por resortes. Un resorte ancla el oscilador y el otro se conecta a la masa. Es análogo a un resonador LC de capacitancia, C, e inductancia, L, y frecuencia de resonancia √1/(LC). La velocidad del sonido en la matriz se expresa como c = √ ρ /μ con densidad ρ y módulo de corte μ. Aunque se considera la elasticidad lineal, el problema se define principalmente por ondas de corte dirigidas en ángulos con el plano de los cilindros. [14]
Se produce una brecha de banda fonónica en asociación con la resonancia del anillo cilíndrico dividido. Existe una brecha de banda fonónica dentro de un rango de frecuencias normalizadas. Esto es cuando la inclusión se mueve como un cuerpo rígido . El diseño de DCR produjo una banda adecuada con una pendiente negativa en un rango de frecuencias. Esta banda se obtuvo hibridando los modos de un DCR con los modos de barras rígidas delgadas. Los cálculos han demostrado que en estas frecuencias:
En 2009, Shu Zhang et al. presentaron el diseño y los resultados de las pruebas de una lente metamaterial ultrasónica para enfocar ondas sonoras de 60 kHz (longitud de onda de ~2 cm) bajo el agua. [10] La lente estaba hecha de elementos de sublongitud de onda, potencialmente más compactos que las lentes fonónicas que operan en el mismo rango de frecuencia. [10]
La lente consiste en una red de cavidades llenas de fluido llamadas resonadores de Helmholtz que oscilan a ciertas frecuencias. De manera similar a una red de inductores y capacitores en un metamaterial electromagnético, la disposición de las cavidades de Helmholtz diseñadas por Zhang et al. tiene un módulo dinámico negativo para las ondas ultrasónicas. Una fuente puntual de sonido de 60,5 kHz se enfocó en un punto de aproximadamente el ancho de la mitad de una longitud de onda, y existe el potencial de mejorar aún más la resolución espacial. [10] Los resultados concordaron con el modelo de línea de transmisión, que derivó la densidad de masa efectiva y la compresibilidad. Esta lente de metamaterial también muestra una longitud focal variable a diferentes frecuencias. [31] [32]
Esta lente podría mejorar las técnicas de obtención de imágenes acústicas, ya que la resolución espacial de los métodos convencionales está limitada por la longitud de onda del ultrasonido incidente. Esto se debe a que los campos evanescentes se desvanecen rápidamente y portan las características de los objetos que van por debajo de la longitud de onda. [31]
En 2009 se introdujo un diodo acústico que convierte el sonido a una frecuencia diferente y bloquea el flujo inverso de la frecuencia original. Este dispositivo podría proporcionar más flexibilidad para diseñar fuentes ultrasónicas como las que se utilizan en la obtención de imágenes médicas. La estructura propuesta combina dos componentes: el primero es una lámina de material acústico no lineal, cuya velocidad del sonido varía con la presión del aire. Un ejemplo de este tipo de material es una colección de granos o perlas, que se vuelve más rígida a medida que se comprime. El segundo componente es un filtro que permite que pase la frecuencia duplicada, pero refleja la original. [33] [34]
Una capa acústica es un dispositivo hipotético que haría que los objetos fueran impermeables a las ondas sonoras. Esto podría usarse para construir casas insonorizadas , salas de conciertos avanzadas o buques de guerra furtivos. La idea del encubrimiento acústico es simplemente desviar las ondas sonoras alrededor del objeto que se debe encubrir, pero su realización ha sido difícil ya que se necesitan metamateriales mecánicos . Hacer un metamaterial de este tipo para un sonido significa modificar los análogos acústicos de la permitividad y la permeabilidad en las ondas de luz, que son la densidad de masa del material y su constante elástica. Investigadores de la Universidad de Wuhan , China, en un artículo de 2007 [35] informaron sobre un metamaterial que poseía simultáneamente un módulo volumétrico negativo y una densidad de masa.
En 2011 se demostró un dispositivo metamaterial de laboratorio que es aplicable a las ondas de ultrasonido para frecuencias de 40 a 80 kHz. La capa acústica metamaterial fue diseñada para ocultar objetos sumergidos en agua, doblando y retorciendo las ondas sonoras. El mecanismo de ocultación consta de 16 anillos concéntricos en una configuración cilíndrica, cada anillo con circuitos acústicos y un índice de refracción diferente . Esto hace que las ondas sonoras varíen su velocidad de anillo a anillo. Las ondas sonoras se propagan alrededor del anillo exterior, guiadas por los canales en los circuitos, que doblan las ondas para envolverlas alrededor de las capas externas. Este dispositivo ha sido descrito como una serie de cavidades que en realidad reducen la velocidad de propagación de las ondas sonoras. Un cilindro experimental se sumergió en un tanque y se hizo desaparecer de la detección del sonar. Otros objetos de diversas formas y densidades también se ocultaron del sonar. [32] [36] [37] [38] [39]
Como los fonones son responsables de la conducción térmica en los sólidos, se pueden diseñar metamateriales acústicos para controlar la transferencia de calor. [40] [41]
Los investigadores han demostrado un método de computación similar a la cuántica utilizando metamateriales acústicos. [42] [43] [44] Recientemente se han demostrado operaciones similares a la compuerta Controlled-NOT (CNOT), un componente clave en la computación cuántica. [43] Al emplear un metamaterial acústico no lineal, que consta de tres guías de ondas acopladas elásticamente, el equipo creó análogos de cúbits clásicos llamados phi-bits lógicos. Este enfoque permite operaciones de compuerta CNOT escalables, sistemáticas y predecibles utilizando una manipulación física simple. Esta innovación es prometedora para el campo de la computación similar a la cuántica utilizando metamateriales acústicos.
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