Il suono è trasportato da vibrazioni periodiche di atomi in gas, liquidi e solidi. Quando parliamo, le corde vocali dell’interlocutore vibrano, facendo vibrare anche l’aria proveniente dai suoi polmoni. Questo crea onde sonore, che poi si propagano nell’aria fino a quando non colpiscono i timpani di un ascoltatore e fanno vibrare anche loro. Da queste vibrazioni, l’ascoltatore può quindi ricostruire le parole di chi parla.
Il suono è influenzato dall’ambiente in cui viaggia e dalla frequenza delle onde sonore. Progettiamo strumenti musicali per manipolare le onde sonore che producono. Inoltre, sappiamo che ci sono onde sonore che sono al di fuori della portata dell’udito umano, come quelle prodotte dal fischietto di un cane. Poiché i fisici hanno studiato il suono sia all’interno che all’esterno della gamma dell’udito umano, sono state scoperte proprietà interessanti.
Più di cento anni fa, i fisici hanno capito che il calore è semplicemente l’energia immagazzinata nelle vibrazioni degli atomi, e quindi si sono resi conto che calore e suono sono correlati. Ora uno studio ha mostrato sperimentalmente per la prima volta che anche queste vibrazioni atomiche hanno proprietà magnetiche.
Costruire la nostra conoscenza del suono
Negli anni ’30, i fisici iniziarono a modellare le vibrazioni atomiche come particelle. Questo è simile al concetto di luce sia come onda che come particella che chiamiamo fotone. I fisici chiamavano le particelle dell’onda sonora “fononi”, derivate dalla parola greca per suono.
Oggi i fisici trattano i fononi come quasi-particelle, con proprietà sia ondulatorie che particellari. I fononi trasportano sia il suono che il calore. Nei metalli, il calore è trasportato principalmente dal movimento degli elettroni negli atomi. Tuttavia, in tutti gli altri materiali, il calore è trasportato quasi esclusivamente dai fononi.
Quindi le proprietà meccaniche, acustiche e termiche delle onde sonore sono state stabilite da tempo. Eppure, prima d’ora, nessuno avrebbe mai immaginato che le onde sonore potessero avere anche proprietà magnetiche.
Calore, suono… e magnetismo?
Nel numero del 23 marzo di Nature Materials, offrono la prova sperimentale che le onde sonore interagiscono con i campi magnetici esterni.
L’esperimento è stato condotto su un grande cristallo singolo di un semiconduttore purissimo, l’antimonide di indio, che era stato tagliato in due sezioni disuguali e quindi raffreddato a circa -445°F (-265°C). Una quantità controllata di calore è stata fatta fluire in ciascuna sezione separatamente. A queste temperature, i fononi possono essere pensati come singole particelle, come i corridori su una pista che trasportano ciascuno un piccolo secchio di calore.
Nella piccola sezione, i fononi spesso vanno a sbattere contro le pareti, il che li rallenta. La piccola sezione viene utilizzata come riferimento, per rendere l’esperimento indipendente dalle altre proprietà del solido che potrebbero interferire. Nella sezione più ampia, i fononi possono andare più veloci e non si imbattono nelle pareti quanto l’uno nell’altro. Quando applichiamo un campo magnetico, tendono a incontrarsi più frequentemente. Poiché il campo magnetico aumenta il numero di collisioni, rallenta anche i fononi e riduce del 12% la quantità di calore che trasportano.
Si pensa che ciò sia dovuto agli elettroni che ruotano in orbita attorno a ciascun atomo nel solido. Il movimento orbitale di questi elettroni emette un campo magnetico intrinseco molto piccolo che interagisce con il campo applicato esternamente, un effetto chiamato “diamagnetismo“. Questa proprietà esiste anche in sostanze che tradizionalmente non consideriamo magnetiche, come vetro, pietra o plastica. Quando gli atomi vibrano a causa del passaggio dei fononi, questa interazione crea una forza sugli atomi che fa scontrare i fononi tra loro più spesso.
Cosa possiamo fare con questi risultati?
A questo punto, hanno appena descritto un nuovo concetto, qualcosa che non era mai stato pensato prima. Gli ingegneri possono forse utilizzare questo concetto per controllare il calore e le onde sonore magneticamente. Le onde sonore possono già essere guidate efficacemente utilizzando più sorgenti sonore, come avviene nei sistemi di imaging a ultrasuoni, ma controllare la conduzione del calore è molto più difficile.
La conversione del calore in energia elettrica o meccanica, come avviene nei motori e nelle centrali elettriche, fornisce oltre il 90% dell’energia utilizzata dall’umanità. Pertanto, essere in grado di controllare la conduzione del calore a piacimento potrebbe avere un enorme impatto sulla produzione di energia, anche se, ovviamente, le applicazioni di questo concetto emergente sono ancora piuttosto lontane nel futuro.
Autore
Joseph Heremans, Università statale dell’Ohio
