O controle de ondas sonoras com tunelamento Klein melhora a filtragem do sinal acústico

No contexto das modalidades sensoriais, os olhos funcionam como pequenas antenas, captando luz, ondas eletromagnéticas viajando a velocidades alucinantes. Quando os humanos olham para o mundo, seus olhos captam essas ondas e as convertem em sinais que o cérebro lê como cores, formas e movimentos. É um processo contínuo que permite que as pessoas vejam os detalhes com clareza, mesmo quando há muita coisa acontecendo ao seu redor.

Os ouvidos, por outro lado, funcionam mais como microfones, captando o som por meio de vibrações no ar. Quando alguém fala, as ondas sonoras atingem os tímpanos, vibrando e enviando sinais ao cérebro. Mas, ao contrário da clareza que os olhos oferecem, os ouvidos podem ter dificuldades em ambientes barulhentos, onde muitos tipos diferentes de sons podem se sobrepor.

Yue Jiang, Ph.D. estudante do Grupo Charlie Johnson da Universidade da Pensilvânia, compara esse desafio ao que os cientistas enfrentam ao tentar filtrar o som na tecnologia moderna. “Precisamos de maneiras de isolar sinais importantes do ruído, especialmente com a comunicação sem fio se tornando tão essencial”, diz Jiang. “Com inúmeros sinais vindos de muitas direções, é fácil que a interferência interfira na transmissão.”

Para isso, Jiang e sua equipe do Grupo Johnson desenvolveram uma forma de controlar as ondas sonoras por meio de um processo chamado tunelamento de Klein, aplicado em uma faixa de alta frequência.

“O que é interessante nisso é que impulsionamos o tunelamento de Klein – o movimento de partículas como os elétrons através de um barreira energética– na faixa de gigahertz”, diz Charlie Johnson. “Essas são as frequências que seu telefone celular opera, então nossas descobertas podem levar a sistemas de comunicação mais rápidos e confiáveis.”

O trabalho da equipe, publicado no diário Dispositivomarca a primeira vez que o tunelamento de Klein foi demonstrado com ondas sonoras em frequências tão altas, abrindo caminho para sistemas de comunicação mais eficientes, mais rápidos e resistentes ao ruído, e tem implicações para sistemas de informação quântica, onde o controle preciso do som é crítico. Ao ajustar a forma como as ondas sonoras viajam, a pesquisa poderá levar a uma comunicação sem fio mais confiável e a tecnologias avançadas.

No centro de sua pesquisa estão os cristais fonônicos, materiais projetados para manipular ondas sonoras de maneira semelhante à forma como cristais fotônicos luz de controle. A equipe gravou padrões “semelhantes a flocos de neve” em membranas ultrafinas feitas de nitreto de alumínio, um materials piezoelétrico que converte sinais elétricos em ondas mecânicas e vice-versa, e esses padrões desempenham um papel essential na orientação das ondas sonoras através dos pontos de Dirac, que permitem para que passem através de barreiras energéticas com perda mínima de energia.

As membranas, com apenas 800 nanômetros de espessura, foram projetadas e fabricadas no Centro Singh de Nanotecnologia da Penn.

“Os padrões de floco de neve nos permitem ajustar como as ondas viajam através do materials”, diz Jiang, “ajudando-nos a reduzir reflexos indesejados e aumentar a clareza do sinal”.

Para confirmar seus resultados, os pesquisadores colaboraram com o Grupo de Pesquisa de Keji Lai da Universidade do Texas em Austin, usando microscopia de impedância de microondas em modo de transmissão (TMIM) para visualizar ondas sonoras em tempo actual. “O TMIM permitiu-nos ver estas ondas a mover-se através dos cristais em frequências gigahertz, dando-nos a precisão necessária para confirmar que o tunelamento de Klein estava a acontecer”, diz Jiang.

O sucesso da equipe baseia-se em trabalhos anteriores com o laboratório de Lai, que explorou o controle de ondas sonoras em frequências mais baixas. “Nosso trabalho anterior com Keji nos ajudou a entender a manipulação das ondas”, diz Johnson. “O desafio foi estender esse entendimento para frequências muito mais altas”.

Em experimentos recentes, a equipe demonstrou uma transmissão quase perfeita de ondas sonoras em frequências entre 0,98 GHz e 1,06 GHz. Ao controlar o ângulo em que as ondas entravam nos cristais fonônicos, eles poderiam guiar as ondas através de barreiras com pouca perda de energia, tornando seu método uma forma altamente eficaz de filtrar e direcionar sinais sonoros.

À medida que os membros da equipa avançam, exploram as aplicações potenciais das suas descobertas em áreas como a comunicação sem fios 6G, onde a procura por uma transmissão de dados mais rápida e menos interferência é crítica.

“Ao controlar as ondas sonoras com mais precisão, poderíamos permitir que mais usuários se conectassem simultaneamente em bandas de frequência densamente povoadas”, diz Jiang.

Eles também estão testando novos materiais, como o nitreto de alumínio dopado com escândio, que poderia aumentar o efeito do tunelamento de Klein e oferecer desempenho ainda melhor em frequências mais altas. “Estamos ultrapassando os limites para ver até onde podemos estender esses princípios”, diz Jiang, “e como eles podem ser aplicados às tecnologias clássicas e quânticas”.

Em última análise, os pesquisadores esperam desenvolver filtros ultraprecisos e dependentes do ângulo para uma variedade de aplicações, incluindo comunicação sem fioimagens médicas e computação quântica.

“Esta pesquisa é apenas o começo”, diz Johnson. “Estamos preparando o terreno para uma nova geração de dispositivos acústicos que podem realmente mudar a forma como pensamos sobre a transmissão e o controle das ondas sonoras.”