Ömsesidighet är inte alltid bra.

Inom fysiken, till exempel, det gäller elektromagnetiska och akustiska vågor. Tanken är att vågor reser samma väg bakåt som de gör framåt. Vilket är bra, förutom att vågor stöter på hinder (skyskrapor, vind, människor) som får dem att tappa energi.

Men tänk om du kunde bryta mot den regeln och leda vågor kring dessa hinder? Eller har ett objekt helt absorberat vågen i en specifik riktning? Sådana funktioner kan förändra hur elektroniska, fotoniska och akustiska enheter är designade och använda.

Ingenjörer vid University at Buffalo har tagit ett steg i denna riktning. Arbetar inom ett framväxande område som kallas "rymdvarierande metamaterial, "ingenjörer har visat förmågan att bryta ömsesidighet i akustiska vågor.

En studie som beskriver deras arbete, som stöds av National Science Foundation, publicerades 14 februari Fysisk granskning tillämpad brev, en tidning publicerad av American Physical Society.

"Vi har experimentellt visat att det är möjligt att bryta ömsesidighet i akustiska vågor med materialegenskaper som förändras samtidigt i tid och rum, "säger projektets ledande utredare Mostafa Nouh, Ph.D., biträdande professor i maskin- och rymdteknik vid Tekniska högskolan.

Medförfattare är M. Ali Attarzadeh och Jesse Callanan, både doktorand kandidater i Nouhs labb.

För att genomföra experimenten, Nouh och eleverna byggde en balk som består av en vanlig termoplast (akrylnitrilbutadienstyren, eller ABS) stång utrustad med 20 aluminiumresonatorer, var och en formad som en rektangel.

Motorer låter ingenjörerna programmera varje resonator, som är grupperade i par om fyra, att snurra med 45 graders vinkelintervaller. Till exempel, den första resonatorn är vid 0 grader, den andra vid 45 grader, den tredje vid 90 grader och den fjärde vid 135 grader. Nästa grupp om fyra följer samma mönster, och så vidare.

Snurren är både en funktion av rymden (45-gradersintervallen) och tiden (millisekunderna mellan deras vinkelorienteringar). Därav namnet, rumstidsvarierande metamaterial.

När den är aktiverad, de snurrande resonatorerna ser ut som bilkolvar som snurrar istället för att pumpa upp och ner. Vad de gör, dock, ändrar strålens "styvhet, "vilket är dess motstånd mot att deformeras av en applicerad kraft.

Innan du testar strålen, laget utförde datorsimuleringar som förutspådde att ömsesidighet skulle bryta vid mycket snabba variationer av styvhet. Med andra ord, ju snabbare resonatorerna snurrar, desto mer sannolikt kan de bryta ömsesidigheten.

Så ingenjörerna slog upp motorerna upp till 2, 000 varv per minut (rpm). För att se om detta var tillräckligt snabbt, ingenjörer skickade vibrationer (en akustisk våg) genom strålen via ett piezolelektriskt ställdon. Med hjälp av en skannellaser -dopplervibrometer, samt en värmekamera (för att säkerställa att små temperaturfluktuationer inte påverkade experimentet), Nouh och studenter fann att mönstret i vilket vågen återvände till sitt ursprung skilde sig mycket från sin första kurs.

"Detta är ett bevis på att vågen agerar på ett icke-ömsesidigt sätt, säger Callanan.

I ett annat test, med resonatorer som bara snurrar vid 100 varv / min, strålens stelhet ryckte knappt. Nouh och studenter fann att vågen återvände till sin utgångspunkt på samma sätt som den lämnade, vilket indikerar att ömsesidigheten inte bryts.

"Experimenten visar inte bara vår förmåga att bryta ömsesidigheten mellan akustiska vågor, men bekräfta vår hypotes att ett sådant brott är beroende av hastigheten på styvhetsmoduleringar genom snurrande verkan, säger Attarzadeh.

Möjligheten att manipulera vågor på detta sätt, ett första i sitt slag proof-of-concept, har många möjliga användningsområden. Till exempel, du kan bygga en vägg som gör att ljud lätt kan passera igenom i en riktning men inte på motsatt sätt. Det kan förbättra hur autonoma fordon kommunicerar med varandra. Det kan öka upplösningen av medicinsk bildbehandling via ultraljud, som vanligtvis lider av en begränsning som kallas "reflektionsartefakter" som kan leda till att läkare misstolkar bilder.

Men Nouh varnar för att laboratorieprestationen inte är redo för kommersialisering ännu. Till exempel, balken laget byggde är stor och skulle behöva minskas, troligtvis genom 3D-utskrift eller andra nanofabrikationsverktyg. Också, det material laget använde värms upp för snabbt. För att övervinna detta, troligen behövs mer avancerade och dyrare material.