U kontekstu senzornih modaliteta, oči funkcionišu kao male antene, sakupljaju svetlost, elektromagnetne talase koji putuju velikom brzinom. Kada ljudi gledaju u svet, njihove oči hvataju ove talase i pretvaraju ih u signale koje mozak čita kao boje, oblike i pokrete. To je besprekoran proces koji omogućava ljudima da jasno vide detalje čak i kada se mnogo toga dešava oko njih.
Uši, s druge strane, deluju više kao mikrofoni, hvatajući zvuk vibracijama u vazduhu. Kada neko govori, zvučni talasi udaraju u bubne opne, vibriraju i šalju signale u mozak. Ali za razliku od jasnoće koju oči nude, uši mogu da se bore u bučnim okruženjima, gde se mnogo različitih vrsta zvukova može preklapati.
Iue Jiang, Ph.D. student u grupi Čarli Džonson na Univerzitetu u Pensilvaniji, upoređuje ovaj izazov sa čime se naučnici suočavaju kada pokušavaju da filtriraju zvuk u modernoj tehnologiji. „Potrebni su nam načini da izolujemo važne signale od buke, posebno kada bežična komunikacija postaje tako neophodna“, kaže Jiang. „Sa bezbroj signala koji dolaze iz mnogih pravaca, lako je da smetnje ometaju prenos.
U tom cilju, Jiang i njen tim u Džonson grupi razvili su način da kontrolišu zvučne talase koristeći proces nazvan Klein tuneliranje, primenjen u opsegu visokih frekvencija.
„Ono što je uzbudljivo u vezi sa ovim je to što smo Klajn tuneliranje — kretanje čestica poput elektrona kroz energetsku barijeru — gurnuli u opseg od gigaherca“, kaže Čarli Džonson. „Ovo su frekvencije na kojima vaš mobilni telefon radi, tako da naši nalazi mogu dovesti do bržih i pouzdanijih sistema komunikacije.
Rad tima, objavljen u časopisu Device , označava prvi put da je Klajnovo tuneliranje demonstrirano sa zvučnim talasima na tako visokim frekvencijama, utirući put efikasnijim, bržim komunikacionim sistemima otpornim na buku, i ima implikacije na kvantne informacione sisteme , gde je precizna kontrola zvuka kritična. Finim podešavanjem načina na koji zvučni talasi putuju, istraživanje bi moglo dovesti do pouzdanije bežične komunikacije i naprednih tehnologija.
U osnovi njihovog istraživanja su fononski kristali, projektovani materijali dizajnirani da manipulišu zvučnim talasima na način sličan načinu na koji fotonski kristali kontrolišu svetlost. Tim je urezao uzorke nalik na pahuljice na ultra tanke membrane napravljene od aluminijum nitrida, piezoelektričnog materijala koji pretvara električne signale u mehaničke talase i obrnuto, a ovi obrasci igraju ključnu ulogu u vođenju zvučnih talasa kroz Diracove tačke, što omogućava da prođu kroz energetske barijere uz minimalan gubitak energije.
Membrane, debljine samo 800 nanometara, dizajnirane su i proizvedene u Penn’s Singh Centru za nanotehnologiju.
„Uzorci pahuljica nam omogućavaju da fino podesimo kako talasi putuju kroz materijal“, kaže Jiang, „pomažući nam da smanjimo neželjene refleksije i povećamo jasnoću signala.
Da bi potvrdili svoje rezultate, istraživači su sarađivali sa istraživačkom grupom Keji Lai na Univerzitetu Teksas u Ostinu koristeći mikrotalasnu mikrotalasnu impedansnu mikroskopiju (TMIM) za vizuelizaciju zvučnih talasa u realnom vremenu. „TMIM nam je omogućio da vidimo ove talase kako se kreću kroz kristale na frekvencijama od gigaherca, dajući nam preciznost potrebnu da potvrdimo da se Klein tunelovanje dešava“, kaže Jiang.
Uspeh tima se zasniva na prethodnom radu sa Laijevom laboratorijom, koja je istraživala kontrolu zvučnih talasa na nižim frekvencijama. „Naš raniji rad sa Kejijem nam je pomogao da razumemo manipulaciju talasima“, kaže Džonson. „Izazov je bio proširiti to razumevanje na mnogo više frekvencije.
U nedavnim eksperimentima, tim je pokazao skoro savršen prenos zvučnih talasa na frekvencijama između 0,98 GHz i 1,06 GHz. Kontrolišući ugao pod kojim su talasi ušli u fononske kristale, mogli su da vode talase kroz barijere uz mali gubitak energije, čineći njihov metod veoma efikasnim načinom za filtriranje i usmeravanje zvučnih signala.
Kako članovi tima napreduju, oni istražuju potencijalne primene svojih otkrića u oblastima poput 6G bežične komunikacije, gde je zahtev za bržim prenosom podataka i manje smetnji kritičan.
„Preciznijim kontrolisanjem zvučnih talasa, mogli bismo dozvoliti više korisnika da se istovremeno povežu u gusto naseljenim frekventnim opsezima“, kaže Jiang.
Oni takođe testiraju nove materijale, kao što je aluminijum nitrid dopiran skandijumom, koji bi mogao da poboljša efekat Klajnovog tuneliranja i ponudi još bolje performanse na višim frekvencijama. „Pomeramo granice da vidimo koliko daleko možemo da proširimo ove principe“, kaže Đijang, „i kako se oni mogu primeniti i na klasične i na kvantne tehnologije“.
Na kraju, istraživači se nadaju da će razviti ultra precizne filtere zavisne od ugla za različite aplikacije, uključujući bežičnu komunikaciju, medicinsko snimanje i kvantno računarstvo.
„Ovo istraživanje je samo početak“, kaže Džonson. „Postavljamo pozornicu za novu generaciju akustičnih uređaja koji bi zaista mogli da promene način na koji razmišljamo o prenosu i kontroli zvučnih talasa.“
