No significa que escuches explosiones interestelares, pero el efecto tendría impacto sobre futuros dispositivos de ondas acústicas, así como en otras áreas de aplicación con fonones…
Si unimos la dualidad vacío y sonido, uno empieza a pensar, casi de forma automática, en las imágenes de las explosiones interestalares de Star Wars y otras pelis de Ciencia-Ficción –en sus sonidos de explosiones, más bien. Pero en el cole nos enseñaron que las ondas acústicas (fonones acústicos) son deformaciones o vibraciones que se propagan a través de medios materiales. Y como el vacío es un lugar inmaterial, resulta imposible que éste transmita la energía de una onda acústica entre dos medios separados.
Pero un trabajo reciente de los científicos finlandeses Zhuoran Geng y Ilari J. Maasilta del Centro de Nanociencia (Physics Dept, Universidad de Jyväskylä), viene ahora a dar una vuelta de tuerca al asunto, pues aseguran que han encontrado una excepción para el fenómeno.
En suma, su investigación publicada en la revista científica Nature ha demostrado, de forma analítica y matemática, que los fonones (ondas acústicas) pueden formar un túnel completo de transmisión a través de un espacio de vacío entre dos sólidos piezoeléctricos. Y dicha trasmisión tendría lugar hasta tamaños de espacio de una longitud de onda, aproximadamente.
Tunelización completa de ondas acústicas entre cristales piezoeléctricos
La idea inicial de los investigadores era que, a una escala atómica, las vibraciones de los núcleos pueden propagarse a través de sus interacciones eléctricas a través del vacío. Y así planteaban la cuestión de si los fonones acústicos también podrían transmitirse a través de espacios de vacío mayores que la escala atómica, usando quizá algún mecanismo electromagnético.
Ciertos avances recientes en las técnicas experimentales, permiten lograr espacios de vacío de escala nanométrica a subnanométrica; y así, la posibilidad de una tunelización para fonones acústicos había sido objeto de una cantidad considerable de trabajo teórico en los últimos años para investigar los posibles mecanismos del efecto.
Como era conocido que los desplazamientos mecánicos en los materiales piezoeléctricos transportan campos eléctricos a escala macroscópica, este citado efecto piezoeléctrico representaba un posible mecanismo para la tunelización de ondas acústicas. El objetivo de Zhuoran Geng y Ilari J. era demostrar la formación de túneles de ondas acústicas a través de un espacio de vacío, más allá de la distancia de interacción entre cargas eléctricas.
La longitud de onda y la frecuencia, claves en el fenómeno
Cuando una onda acústica en un sólido piezoeléctrico incide sobre una superficie libre, «extiende un campo eléctrico evanescente y en decadencia hacia el vacío», dicen. Y la escala de longitud de esta decadencia viene determinada por la longitud de onda de la onda acústica, por lo que al acercar otro sólido piezoeléctrico dentro de una longitud de onda, es posible transmitir la potencia acústica al segundo sólido piezoeléctrico a través del espacio de vacío.
Lo que hace que «este túnel de ondas acústicas mediado piezoeléctricamente» sea particularmente atractivo es su escala de longitud: No está fijado para estar en la nanoescala, sino que opera en la escala de longitud de onda, la cual es típicamente mucho más grande y definida por la frecuencia (1GHz correspondería a unos 5μm).
«Hemos demostrado, analítica y numéricamente, que es posible que las ondas acústicas formen un túnel completamente a través de un espacio de vacío entre dos sólidos piezoeléctricos, hasta tamaños de espacio de aproximadamente una longitud de onda…» –Zhuoran Geng y Ilari J. Maasilta
Un hallazgo que podría ser determinante para el futuro del sonido
Hasta la publicación de sus conclusiones, Geng y Maasilta señalaban que «ninguna prueba rigurosa de una tunelización completa de ondas acústicas había sido presentada», así como que las condiciones para lograr dicha tunelización «no habían sido identificadas con anterioridad». Pero su demostración analítica corroboró el citado fenómeno de transmisión sonora transversal lenta entre dos cristales idénticos de semiconductor –Óxido de Zinc (ZnO) en concreto–, que presentaban simetrías y orientaciones anisotrópicas y arbitrarias en sus estructuras.
Otras demostraciones del estudio incluyen que la transmisión completa de la onda entrante ocurre de una forma resonante, a la frecuencia de excitación de las ondas superficiales, pero con fugas. Y que la condición de la transmisión completa podría estar relacionada con la impedancia eléctrica de la superficie y la permitividad superficial efectiva del material piezoeléctrico, la cual fue relevante para establecer la tunelización completa durante el experimento.
«Como se trata de un efecto fuerte y no raro, podría tener un impacto en futuros dispositivos de ondas acústicas, así como en otras áreas de aplicación relacionadas con los fonones, como el control del transporte de calor, la optomecánica, y la ciencia de la información cuántica», concluyen los científicos que firman el trabajo.