چگونه دانشمندان مسیر یکطرفه برای صدا ایجاد کردند که می‌تواند فناوری موج را متحول کند
ارتباط با دوستان در یک نهارخوران روز یکشنبه، پخش موسیقی در پس‌زمینه هنگام شستن ظروف یا دستور دادن به دستگاه دستیار خانگی مجازی برای روشن کردن چراغ‌ها، این‌ها چیزهای روزمره‌ای هستند که کمتر به آنها فکر می‌کنیم. اما آنچه که این عملکردهای روزمره را ممکن می‌سازد، امواج صوتی در اتمسفر هستند.
امواج صوتی از یک نقطه به نقطه دیگر از طریق رسانه‌ای مانند هوا یا آب انتقال می‌یابند و به ما کمک می‌کنند که ارتباط برقرار کنیم، از موسیقی لذت ببریم یا حتی به خطر هشدار دهند. این امواج که به‌عنوان امواج مکانیکی طبقه‌بندی می‌شوند، با امواج الکترومغناطیسی که نیاز به رسانه ندارند و می‌توانند از خلا عبور کنند، متفاوت هستند.
همه امواج دارای خاصیتی اساسی به نام متقابلیت هستند—یک موج به صورت متقارن انتقال می‌یابد وقتی که موقعیت فرستنده و گیرنده را تعویض کنید. به عنوان مثال، اگر شما می‌توانید کسی را در یک اتاق از دور بشنوید، او نیز می‌تواند شما را به همان خوبی بشنود. این بدان معناست که امواج صوتی می‌توانند در دو جهت حرکت کنند.
در حالی که متقابلیت می‌تواند در سیستم‌های ارتباطی دو طرفه مفید باشد، شکستن آن یا محدود کردن انتقال موج در یک جهت می‌تواند برای مسدود کردن انعکاس‌های ناخواسته سیگنال‌ها در این سیستم‌ها نیز استفاده شود. انتقال غیرمتقابل امواج مکانیکی و الکترومغناطیسی قبلاً بررسی شده است، اما با چالش‌هایی مواجه بودند به دلیل از دست دادن انرژی هنگام مسدود کردن انتقال موج در یک جهت.
حال، یک مطالعه جدید منتشر شده در Nature Communications انتقال یکطرفه امواج صوتی، نوعی خیابان یکطرفه برای امواج صوتی را نشان داده است.
مهندسی جالب با نویسنده اصلی این مطالعه، پروفسور نیکلاس نویره از ETH زوریخ صحبت کرد تا به عمق این پژوهش بپردازد. اما قبل از وارد شدن به نتیجه، بیایید به سرعت به اصول دینامیک موج بپردازیم.
اصول مکانیک موج
امواج اختلالاتی هستند که انرژی را از یک نقطه به دیگری منتقل می‌کنند بدون انتقال ذرات ماده به خودی خود. به امواجی که بر روی آب ایجاد می‌شوند فکر کنید که نمایانگر حرکت انرژی هستند. این امر برای امواج مکانیکی مانند صوت یا امواج آب اعمال می‌شود و نه برای امواج الکترومغناطیسی مانند اشعه ایکس، فرابنفش یا اشعه گاما.
برای درک مشکلات مربوط به متقابلیت، لوله‌ای را تصور کنید که در هر دو سر به یک شیر آب در وسط متصل است. وقتی شیر آب را باز کنید، آب از هر دو انتها نشت کرده و بیرون می‌ریزد. این مسئله زمانی بروز می‌کند که بخواهید آب را فقط در یک جهت جاری کنید.
“دستیابی به انتقال یکطرفه موج یک مسئله با اهمیتی بنیادین است. اگرچه با استفاده از حفره‌های رزونانسی مناسب این امر حاصل شده است، این تحقق‌ها به طور ناگریزی از خسارات اجتناب ناپذیر رنج می‌بردند، که دامنه سیگنال منتقل شده یکطرفه را محدود می‌کند،” نویره توضیح داد.
تیم تحقیقاتی می‌خواست سیستمی را توسعه دهد که انتقال موج در یک جهت تقویت شود در حالی که انتقال موج در جهت دیگر حذف می‌شود. راه‌حل؟ یک سیرکولاتور.
سیارکننده‌های خود-نوسانی حیاتی هستند
سیرکولاتور دستگاهی است که برای هدایت امواج برای انتقال در یک جهت، به معنی غیرمتقابل، استفاده می‌شود. متشکل از حفره‌ای دیسک‌مانند، سیرکولاتور چندین پورت (معمولاً سه تا) دارد که به امواج اجازه می‌دهد از یک پورت وارد شده و به سمت پورت بعدی حرکت کند.
سیرکولاتور بر اساس اصول رزونانس کار می‌کند. یک منبع انرژی خارجی یک موج آکوستیک یا صوتی تولید می‌کند که در جهت خاصی در داخل سیرکولاتور می‌چرخد. موجی که بر یکی از پورت‌ها با همان فرکانس موج آکوستیک می‌افتد، به رزونانس منجر می‌شود. در این حالت، موج واقعه انرژی از موج آکوستیک جذب کرده و به تقویت آن می‌پردازد.
علاوه بر این، طراحی سیرکولاتور از انتقال موج واقعه به صورت دو طرفه جلوگیری می‌کند. بنابراین، ما به یک موج تقویت شده که به صورت یک طرفه حرکت می‌کند، می‌رسیم.
در حالی که محققان این روش را بیش از ده سال پیش در مقاله‌ای که در مجله علم منتشر شد، نشان دادند، اما امواج در طول زمان انرژی در سیرکولاتور از دست می‌دهند به دلیل تعامل با حفره. علاوه بر این، امواج آکوستیک خود-نگهدار نیستند و نیاز به منبع انرژی خارجی برای حفظ رزونانس دارند.
این محدودیت‌ها پروفسور نویره را الهام داد که با مقایسه با محفظه‌های احتراق دایره‌ای که در موتورهای جت و توربین‌های گازی استفاده می‌شود، فکر کند، جایی که امواج صوتی و شعله‌ها تعامل دارند تا نوسانات خود-نگهدار ایجاد کنند. “تفاوت کلیدی در آکوستیک این دو سیستم این است که مقاله منتشر شده در مجله علم نیاز به تحریک خارجی دارد، در حالی که در مورد محفظه‌های احتراق، آنها خود-نگهدار هستند،” او گفت.
“سپس به این فکر افتادم که امکان جبران زیان مطالعه شده در مقاله را با ایجاد یک سیرکولاتور با نوسانات خود-نگهدار که با امواج در حال ورود هماهنگ شده‌اند و به امواج اخیر انرژی می‌دهند، فراهم کنم،” نویره اضافه کرد.
همانطور که ذکر شد، محفظه‌های احتراق می‌توانند امواج صوتی خود-نگهدار تولید کنند، به این معنی که به منبع انرژی خارجی برای نگه‌داری نیاز ندارند. گرمای آزاد شده در طول فرآیند احتراق، نوسانات فشاری در محفظه ایجاد می‌کند. این نوسانات باعث ایجاد امواج صوتی می‌شود که به طور مداوم با گرما تعامل دارند تا نوسانات را بدون نیاز به انرژی خارجی نگه‌دارند.
طراحی سیرکولاتور سه‌پورت
با الهام از این فرآیند، نویره و تیمش یک سیرکولاتور توسعه دادند که می‌تواند نوسانات خود-نگهدار ایجاد کند. طراحی سیرکولاتور شامل یک حفره دیسک‌شکل با سه پورت به فاصله‌های مساوی است. هر پورت شامل یک راهنمای موج آکوستیک، یک دستگاهی که امواج را به و از حفره هدایت می‌کند.
هنگامی که هوا با فرکانس و دامنه مشخصی در سیرکولاتور دمیده می‌شود، صدای سوت کشی در حفره ایجاد می‌کند. این موج خود-نگهدار است زیرا جریان هوا پیوسته است. هنگامی که موج صوتی با فرکانسی که با امواج آکوستیک در حفره مطابقت دارد، بر یکی از سه پورت حادث می‌شود، ما به رزونانس می‌رسیم.
موج واقعه انرژی از موج آکوستیک جذب کرده و آن را تقویت می‌کند. جهت موج چرخنده از انتقال موج واقعه به صورت عقب جلوگیری می‌کند. به عنوان مثال، اگر موج صوتی از پورت اول وارد شود، می‌تواند از پورت دوم خارج شود. با این حال، موج صوتی که وارد پورت دوم می‌شود نمی‌تواند با حرکت به صورت عقب از پورت اول خارج شود.
به این ترتیب، از انتقال به صورت عقب موج واقعه جلوگیری می‌شود. با جذب انرژی امواج صدای سوت، موج واقعه در جهت جلو تقویت می‌شود. پروفسور نویره از طراحی منحصر به فرد صحبت کرد و گفت: “برخلاف سوت‌های معمولی و سازهای بادی، که در آنها صدا از موج ایستاده در حفره ایجاد می‌شود، این سوت جدید نتیجه موج چرخشی است.”
نمونه‌سازی برای امواج الکترومغناطیسی
پژوهشگران روش جبران زیان خود را با ارسال موج صوتی با فرکانس ۸۰۰ هرتز، که نزدیک به نت G بالای یک سوپرانو است، آزمایش کردند. موج از پورت اول ارسال شد و طبق انتظار به پورت سوم نرسید. از پورت دوم، موج صوتی که بیرون آمد بسیار بلندتر از موجی بود که در ابتدا فرستاده شد.
در مورد کاربردهای احتمالی این روش جبران زیان، نویره گفت، “در عمل، هنگامی که چندین سیستم انتقال یکطرفه متصل هستند، زیان خالص جمع می‌شود و مانع از نسبت سیگنال به نویز کافی در پورت نهایی می‌شود. این به همین دلیل است که جبران زیان ذاتی مفهوم ما می‌تواند امکانات جدیدی را برای انتقال مؤثر سیگنال‌های مفید در امتداد مسیرهایی با چندین فرستنده یکطرفه باز کند.”
نویره و تیمش از امواج صوتی برای نشان دادن انتقال موج یکطرفه خود استفاده کردند و بر این باورند که این می‌تواند به‌عنوان یک نمونه‌سازی برای دستکاری موج‌هایی که به سیستم‌های دیگر گسترش می‌یابند، عمل کند. این روش می‌تواند به امواج الکترومغناطیسی گسترش یابد تا سیستم‌های رادار و مخابراتی را بهبود بخشد و از ایجاد بازتاب‌های ناخواسته که اختلال و از دست رفتن سیگنال را موجب می‌شوند، جلوگیری کند.
“من سیرکولاتور موج صوتی خود را عمدتاً به عنوان یک مدل آزمایشی برای روش عمومی دستکاری موج با استفاده از نوسانات خود-نگهدار هماهنگ شده می‌بینم. قدم بعدی این است که این رویکرد را به مواد متا برای امواج الکترومغناطیسی اعمال کنیم،” استاد گفت.
مهندسین مواد مته‌ای ایجاد می‌کنند که ویژگی‌های عجیب و غریبی را که در مواد طبیعی اتفاق نمی‌افتد، به نمایش می‌گذارد. این مواد می‌توانند امواج الکترومغناطیسی را به روش‌های غیرمعمولی دستکاری کنند و امکانات جدیدی در کنترل و دستکاری موج باز کنند. “به این ترتیب، مایکروویوها در سیستم‌های راداری می‌توانند بهتر هدایت شوند و به اصطلاح مدارهای توپولوژیک می‌توانند ایجاد شوند، با سیگنال‌هایی که می‌توانند در سیستم‌های ارتباطی آینده هدایت شوند،” نویره نتیجه‌گیری کرد.
خیابان یکطرفه ایجاد شده برای امواج صوتی توسط پژوهشگران یک راه‌حل به مسئله‌ای طولانی‌مدت در حوزه انتقال موج ارائه می‌دهد، و به عنوان نمونه‌سازی برای سیستم‌های دیگر عمل می‌کند.
