Isolamento acustico con l'aiuto della fisica quantistica
Sebastian Huber e colleghi hanno dimostrato che il percorso dalla teoria astratta all'applicazione tangibile non deve essere sempre lungo. La loro realizzazione meccanica di un fenomeno meccanico quantistico potrebbe presto essere utilizzata nell'isolamento acustico.
Ciambelle, elettricità e fisica quantistica: quella che ai profani sembra un'assurda sfilza di termini è una sorta di descrizione del campo di lavoro di Sebastian Huber. In qualità di fisico, l'ETH Huber lavora da anni sui cosiddetti isolanti topologici, ossia materiali la cui capacità di condurre elettricità ha un'origine topologica.
Il modo più semplice per visualizzare il significato di "topologico" è prendere una ciambella, che può essere trasformata in una tazzina da caffè tirandola, allungandola e deformandola, senza doverla tagliare. In questo senso, la ciambella e la tazzina di caffè sono topologicamente identiche, e se applichiamo lo stesso principio alle funzioni d'onda quantomeccaniche degli elettroni in un solido, arriviamo al fenomeno dell'isolante topologico. Si tratta di fisica quantistica per studenti avanzati, molto complicata e lontana dal mondo di tutti i giorni. Tuttavia, il professore Huber e i suoi colleghi sono riusciti a rendere molto concrete queste idee astratte e, percorrendo per così dire la via breve, con collaboratori di vari dipartimenti dell'ETH, a trovare possibili applicazioni nel campo dell'ingegneria.
Dai quanti alla meccanica
Huber è partito da una semplice domanda: il principio di un isolante topologico può essere trasferito ai sistemi meccanici? La fisica quantistica e la meccanica sono in realtà due mondi diversi. Nel mondo quantistico, le particelle possono "tunnelare" attraverso le barriere e annullarsi o amplificarsi a vicenda come onde, mentre la meccanica di tutti i giorni si occupa più della caduta dei corpi o della statica dei ponti. Tuttavia, Huber e i suoi colleghi si sono resi conto che le formule matematiche che descrivono le proprietà quantistiche di un isolante topologico possono essere trasformate in modo da assomigliare a quelle di un sistema meccanico ben noto, ovvero una serie di pendoli oscillanti.
In particolare, le formule meccaniche hanno previsto i cosiddetti stati limite, proprio come le loro controparti meccaniche quantistiche. In questi stati eccitati, una corrente elettrica (o un'oscillazione meccanica) scorre lungo i bordi del materiale, mentre l'interno del sistema rimane completamente inalterato. "Teoricamente è un bel risultato", dice Huber, "ma naturalmente il modo migliore per convincere le persone è metterlo in pratica".
Non è presto detto. Insieme ai tecnici dell'ETH, Huber e il suo studente hanno costruito un modello meccanico composto da 270 pendoli disposti in una griglia rettangolare, collegati tra loro da piccole molle. Due dei pendoli possono essere eccitati meccanicamente, cioè scossi avanti e indietro con una certa frequenza e forza. Gli accoppiamenti delle molle fanno oscillare gradualmente anche gli altri pendoli. A una certa frequenza di eccitazione, la fisica ha finalmente visto ciò che sperava: I pendoli all'interno del rettangolo rimanevano fermi, mentre quelli ai bordi oscillavano ritmicamente, creando una sorta di "onda" che scorreva intorno al rettangolo. I pendoli accoppiati si comportavano quindi come un isolante topologico.
Bracci robotici e lenti sonore
Quello che inizialmente era un sogno irrealizzabile e poi un simpatico espediente per l'ETH Huber potrebbe presto rivelarsi uno strumento utile. Gli stati limite meccanici dei pendoli accoppiati sono molto robusti - "topologicamente protetti", come si dice in gergo tecnico - e rimangono intatti anche se viene introdotto del disordine nella fila di pendoli o anche se una parte del rettangolo viene semplicemente rimossa. Tali proprietà sarebbero interessanti per l'isolamento dal suono e dalle vibrazioni, ad esempio nella produzione industriale, dove i bracci robotici devono posizionare i componenti con precisione e senza tremare. Sono anche ipotizzabili materiali che trasportano il suono in una sola direzione o che lo focalizzano come una lente ottica.
"Queste applicazioni rappresentano una grande sfida, ma sono certamente realistiche", afferma Chiara Daraio, l'ETH, docente di meccanica e materiali. Naturalmente, i sistemi meccanici devono prima diventare più compatti: i pendoli di Huber sono lunghi mezzo metro e pesano mezzo chilo ciascuno. Gli ingegneri sono già in procinto di costruire un dispositivo che faccia a meno dei numerosi pendoli e che misuri solo pochi centimetri.
Letteratura di riferimento
Süsstrunk R, Huber SD: Osservazione di stati fononici elicoidali in un isolante topologico meccanico. Science 2015, 349: 47-50, doi: pagina esterna10.1126/science.aab0239