När du knackar på en melon för att se om den är mogen, du använder ljudvågor för att sondera strukturen på materialet inuti. Fysiker vid University of Chicago använde samma koncept för att utforska hur ljudvågor färdas genom mönstrade strukturer när de märkte en märklighet:helt olika strukturer lät likadant.

Detta var en överraskande sak - ungefär som att slå på en melon och en ananas, och upptäckte att de båda gjorde samma ljud.

"Det som gjorde oss upphetsade var att vi inte kunde förklara våra resultat med hjälp av befintliga koncept, såsom rumsliga symmetrier, "sa Vincenzo Vitelli, en professor i fysik vid James Franck Institute.

Det Vitelli och hans grupp hade upptäckt var en dualitet, en "dold" symmetri som länkar uppenbarligen orelaterade system. Publicerad i Natur , deras studie kan en dag hjälpa till att designa metamaterial eller till och med mikroskopiska enheter som behandlar information kodad i ljudvågor.

Över åren, fysiken har byggt upp en ram för att förutsäga egenskaperna hos ett objekt baserat på dess rumsliga symmetrier. "Titta på en plastmodell av en metanmolekyl:dess väteatomer bildar en vanlig tetraeder. Detta berättar mycket om hur molekylen vibrerar, "sa Michel Fruchart, en postdoktor och första författare till uppsatsen. På liknande sätt, LEGO -modeller hjälpte författarna till denna studie att upptäcka deras dualiteter. (En videodemonstration finns på deras webbplats.)

Vad händer om dessa dualiteter skulle kunna utnyttjas för att förse ett material med egenskaper som det annars inte skulle ha?

Under de senaste åren, det har skett en explosion av intresse för ett område som kallas metamaterial. Dessa är konstgjorda strukturer konstruerade för att ha egenskaper som normalt inte förväntas i naturen. Till exempel, mycket tanke har gått på att förverkliga en "osynlighetskappa" med hjälp av kompositmaterial som böjer inkommande ljus runt dem på grund av deras inre geometri.

Fruchart och Vitelli föreställde sig att använda detta tillvägagångssätt för att ta en partikel som en fonon - i huvudsak en partikel av värme - och ge den egenskaper som den inte brukar ha.

Elektroner har en egenskap som kallas "spin" som används som grund för några av de senaste högteknologiska elektronikerna. Phonons har inte ett snurr, men om forskare kunde forma strukturen på material för att ge fononer en "falsk snurr, "de kan eventuellt använda dem i fononiska enheter - liknande elektronik, men med olika förmågor, som värmekontroll.

"Genom att flytta fononerna, man kan bearbeta informationen som lagras i deras pseudospinn, "Sa Vitelli.

De kallade detta begrepp "mekanisk spintronik". Forskarna sa att de hoppas att dualiteter kan visa sig lika viktiga vid design av metamaterial som symmetrier för närvarande är.

"Vår strategi gäller även andra vågor, inte bara fononer - till exempel ljus och materia vågor, sa Fruchart.