آرایه‌ای از کانال‌های هوایی به عنوان «عایق‌های آکوستیکی چرن» رفتار می‌کنند؛ کانال‌هایی که در آن‌ها امواج صوتی تنها در لبه‌ها و در یک جهت حرکت می‌کنند.

فازهای توپولوژیکی به واسطه‌ی محدودیت‌های هندسی تعریف می‌شوند که آن‌ها را در مقابل تاثیرات محیطی مقاوم می‌سازد. اگرچه معمولاً این پدیده رویدادی الکترونی به حساب می‌آید اما فازهای توپولوژیکی می‌توانند در سیستم‌های آکوستیکی نیز رخ دهند. پژوهش‌گران اکنون آرایه‌ای از کانال‌های هوایی را سرهم کرده‌اند تا نسخه‌ای آکوستیکی از فاز توپولوژیکی معروف به عایق چرن (Chern) ایجاد کنند. قطعه‌ی آکوستیکی آنان انتشار امواج صوتی را در یک جهت محدود می‌سازد؛ چیزی‌که می‌تواند موجب بهبود دستگاه‌های فراصوتیِ پزشکی و کنترل نوفه‌های محیطی شود.

برخی ازاولین سیستم‌های توپولوژیکیِ آکوستیکی، آرایه‌هایی متناوب از عناصر پراکنده‌ساز هستند که انتشار صوت را بجز در لبه‌هایشان مسدود می‌کنند؛ چیزی شبیه انتقال الکترونی در عایق‌های توپولوژیکی. در این نمونه‌های آکوستیکی، انتشارهای لبه‌ای به لحاظ زمانی برگشت‌پذیرند: یعنی امواج صوتی قادرند هم به جلو و هم به عقب حرکت کنند. اما مزیت انتشارِ بازگشت‌ناپذیرِ زمانی آن است که امواج صوتی که در لبه‌ها منتشر می‌شوند حساسیت کمتری به اتلاف‌های پراکندگی ناشی از نقص‌ها دارند.

جیانچون چنگ (Jianchun Cheng) از دانشگاه نانجینگ در چین و همکارانش برای ایجاد ماده‌ی آکوستیکی بازگشت‌ناپذیر زمانی‌، چندین واحد بازگشت‌ناپذیرِ زمانی یا «اتم‌ها» را به واسطه‌ی موجبرها بهم متصل کرده‌اند تا آرایه‌ای شش‌گوش بسازند. هر اتم شامل کاواکی حلقوی است که در آن هوا با سرعت بالایی می‌چرخد. پژوهش قبلی با تک‌اتم‌ها نشان داد که امواج صوتی درون این کاواک، در یک جهت، داخل یا از آن خارج می‌شوند. چنگ و همکارانش همگام‌سازی مدهای آکوستیکِ اتم‌های چندگانه را با اتکاء بر تشدیدگرهای آکوستیکی مرتبه‌ی بالا در درون هر اتم مدیریت کرده‌اند. آن‌ها انتشار موج آکوستیکی برگشت‌ناپذیر زمانی را در طول لبه‌های این آرایه مشاهده کرده و ثابت کرده‌اند که این راه‌های یک‌طرفه‌ و لبه‌ای از نقص‌ها مصون می‌ماند؛ مثل کاواک‌هایی که در آن‌ هوا در مسیر نادرست می‌چرخد یا اصلا نمی‌چرخد.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لتزر انتشار یافته است.

درباره‌ی نویسنده:

مایکل شربر کمک ویراستار مجله فیزیک در فرانسه است.

منبع:

One-Way Sound Transport