Energiförlust på grund av spridning från materialfel är känt för att sätta gränser för prestanda för nästan all teknik som vi använder för kommunikation, timing, och navigering. I mikromekaniska gyroskop och accelerometrar, som de som vanligtvis finns i mobiltelefoner idag, mikrostrukturell störning påverkar mätdrift och sensorns övergripande noggrannhet, analogt med hur en smutsig fiolsträng kan påverka ens njutning av vacker musik. I optiska fiberkommunikationssystem, spridning från materialdefekter kan minska datatrohet över långa avstånd och därmed minska uppnåelig bandbredd. Eftersom defektfria material inte kan erhållas, hur kan vi möjligen förbättra de grundläggande tekniska gränser som störs av oordning?

Ett forskningssamarbete mellan University of Illinois i Urbana-Champaign, National Institute of Standards and Technology, och University of Maryland har avslöjat en ny teknik genom vilken spridning av ljudvågor från störningar i ett material kan undertryckas på begäran. Allt av det här, kan enkelt uppnås genom att belysa med lämplig färg på laserljus. Resultatet, som publiceras i Naturkommunikation , kan ha en omfattande inverkan på sensorer och kommunikationssystem.

Gaurav Bahl, en biträdande professor i mekanisk vetenskap och teknik, och hans forskargrupp har studerat ljusets växelverkan med ljud i mikroresonatorer i solid state. Detta nya resultat är kulmen på en rad experiment som hans team genomfört under de senaste åren, och en ny vetenskaplig fråga ställt på rätt ställe.

"Resonatorer kan ses som ekokammare för ljud och ljus, och kan vara så enkla som mikrosfäriska glasbollar som de vi använde i vår studie, "Förklarade Bahl." Vårt forskarsamhälle har länge förstått att ljus kan användas för att skapa och förstärka ljudvågor i resonatorer genom en mängd olika optiska krafter. Resonanta ekon hjälper till att öka interaktionstiden mellan ljud, ljus, och materiell störning, vilket gör dessa subtila effekter mycket lättare att observera och kontrollera. Eftersom interaktioner inom resonatorer i grunden inte skiljer sig från de som sker i något annat system, Dessa kan vara en riktigt kompakt plattform för att utforska den underliggande fysiken. "

Nyckeln till att undertrycka spridning från störning är att framkalla en felaktig överensstämmelse i spridningen mellan den ursprungliga och spridda riktningen. Denna idé liknar hur en elektrisk ström föredrar att flöda längs vägen med minst motstånd, eller hur vatten föredrar att flöda genom ett bredare rör snarare än ett trångt. För att undertrycka bakspridning av framåtgående ljudvågor, man måste skapa en stor akustisk impedans i bakåtgående riktning. Denna asymmetri för framåt- och bakåtförökande vågor kallas mediumets chiralitet. De flesta solid-state-system har inte kirala egenskaper, men dessa egenskaper kan induceras genom magnetfält eller genom rymd-tid variation av mediet.

"Några år sedan, vi upptäckte att kiralitet kan induceras för ljus med hjälp av ett opto-mekaniskt fenomen, där ljus parar sig med förökande ljudvågor och gör mediet transparent. Våra experiment vid den tiden visade att den inducerade optiska transparensen bara låter ljuset röra sig enriktat, det är, det skapar en företrädesvis låg optisk impedans i en riktning, "Sa Bahl." Det var då vi träffade vår samarbetspartner Jacob Taylor, en fysiker på NIST, som ställde en enkel fråga till oss. Vad händer med ljudvågorna i ett sådant system? "

"Vår teoretiska modellering förutspådde att det att ha ett kiralt system för ljudutbredning kan undertrycka eventuell ryggspridning som kan ha orsakats av störning, "förklarade Taylor." Detta koncept uppstod från arbete som vi har gjort de senaste åren för att undersöka topologiskt skydd för ljus, där kiral utbredning är en nyckelfunktion för att förbättra prestanda för enheter. Inledningsvis var planen med Bahls team bara att visa en skillnad mellan de framåt- och bakåtförökande ljudvågorna, med en kylande effekt skapad av ljus. Men systemet överraskade oss med en ännu starkare praktisk effekt än förväntat. "

Den enkla frågan startade en ny flerårig forskningsinsats i en riktning som inte har undersökts tidigare. Arbetar i nära samarbete, teamet upptäckte att Brillouin sprider ljus, en specifik typ av opto-mekanisk interaktion, kan också framkalla kiralitet för ljudvågor. Mellan de experimentella verktygen i Bahls laboratorium, och de teoretiska framstegen i Taylors lab, pusselbitarna var redan på plats.

"Vi förberedde experimentellt ett kiralt optomekaniskt system genom att cirkulera ett laserfält i medurs riktning i en silikaglasresonator. Laservåglängden, eller färg, var speciellt utformad för att framkalla optisk dämpning av endast medurs ljudvågor. Detta skapade en stor akustisk impedansmatchning mellan medurs och moturs förökningsriktningar, "förklarade Seunghwi Kim, första författaren till studien. "Ljudvågor som sprider sig medurs upplevde mycket stora förluster på grund av den opto-mekaniska kylningseffekten. Ljudvågor som rör sig moturs kunde röra sig fritt. Överraskande nog, vi såg en enorm minskning av spridningsförlust för ljudvågor moturs, eftersom dessa vågor inte längre kunde spridas i medurs riktning! Med andra ord, även om störningar fanns i resonatorn, dess handling undertrycktes. "

Precis som ljud är den primära metoden för röstkommunikation mellan människor, elektromagnetiska vågor som radio och ljus är den primära tekniken som används för global kommunikation. Vad kan denna upptäckt betyda för kommunikationsindustrin? Oordning och materialfel är oundvikliga optiska fibersystem, vilket resulterar i lägre datatrohet, lite fel, och bandbreddsbegränsningar. Teamet tror att teknik baserad på denna upptäckt kan utnyttjas för att kringgå effekterna av oundvikliga materialfel i sådana system.

"Vi har redan sett så många sensorer, som de som finns i din telefon eller i din bil, kan begränsas av inneboende defekter i materialen, "tillade Taylor." Den metod som introduceras här ger ett enkelt sätt att kringgå dessa utmaningar, och kan till och med hjälpa oss att närma oss de gränser som kvantmekaniken sätter, snarare än våra egna tekniska utmaningar. "

Praktiska tillämpningar av detta resultat kanske inte är för många år lediga. Minskning av mekaniska förluster kan också direkt förbättra mekanikbaserade tröghetsnavigeringssensorer som vi använder idag. Exempel som vi möter i det dagliga livet är accelerometrar och gyroskop, utan vilka våra mobiltelefoner skulle vara mycket mindre kapabla, och våra bilar och flygplan är mycket mindre säkra.