Descoberto novo tipo de simetria, escondida em materiais artificiais

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/02/2020

As simetrias autoduais emergem em pontos críticos, fazendo com que dois materiais completamente diferentes conduzam o som da mesma forma.
[Imagem: Michel Fruchart et al. - 10.1038/s41586-020-1932-6]

Simetrias escondidas

Não é todo dia que se descobre um novo tipo de simetria na natureza.

Menos ainda descobrir simetrias escondidas em materiais artificiais, projetados pelo homem.

E a descoberta tem inúmeras aplicações práticas imediatas.

Um trio de pesquisadores da Universidade de Chicago, nos EUA, descobriu uma simetria escondida dentro dos sólidos ao usar ondas sonoras para estudar o interior dos materiais. Eles usaram blocos de Lego para construir estruturas regulares e avaliar como elas reagem ao som.

O que eles descobriram é que estruturas completamente diferentes podem produzir o mesmo som - algo como bater em uma melancia verde e em uma melancia madura e ouvir o mesmo som.

"O que nos empolgou foi o fato de não podermos explicar nossas descobertas usando os conceitos existentes, como as simetrias espaciais," disse o professor Vincenzo Vitelli, lembrando que os físicos usam há décadas esses conceitos para descrever e prever as propriedades de um objeto com base em suas simetrias espaciais.

A nova explicação que emergiu é o que os pesquisadores chamam de "dualidade", uma simetria escondida associando partes do sólido aparentemente não relacionados.

"Nós observamos que pares de configurações distintas ao longo do mecanismo apresentam o mesmo espectro vibracional e módulos elásticos relacionados. Demonstramos que essas propriedades intrigantes surgem de uma dualidade entre pares de configurações em ambos os lados de um ponto mecânico crítico," escreveu a equipe. Ou seja, é uma autodualidade, que emerge quando uma dualidade se torna recorrente em um material periódico.

Spintrônica mecânica

A descoberta dessa dualidade promete ter grande impacto no projeto dos metamateriais, permitindo projetar materiais artificiais que apresentem propriedades específicas.

A maioria dos metamateriais tem sido projetada para lidar com luz, mas essa nova simetria abre o caminho para o projeto de materiais artificiais que manipulem o som - fônons, que são "partículas de calor", em vez de fótons, as partículas de luz.

Os elétrons têm uma propriedade chamada "spin", que é usada como base para alguns dos mais recentes eletrônicos de alta tecnologia. Os fônons, por sua vez, não têm um spin intrínseco, mas se for possível moldar a estrutura dos materiais, é possível dar aos fônons um "pseudo-spin". Vitelli e seus colegas batizaram esse conceito de "spintrônica mecânica".

Isso permitiria usar esses materiais em dispositivos fonônicos - semelhantes aos eletrônicos, mas com habilidades diferentes, viabilizando a fonônica, ou "eletrônica do calor".

"Nossa abordagem também se aplica a outras ondas, não apenas a fônons - por exemplo, ondas de luz e matéria," disse o pesquisador Michel Fruchart.

Mais tópicos