ETH 취리히 연구진, 음파 제어에 획기적인 성과 달성

자연계에서 파도는 본질적으로 민주적입니다. 목소리, 빛의 빛, 파도의 리드미컬한 움직임 등 모든 것이 어느 한쪽으로 치우치지 않고 양방향으로 흐르기 때문입니다. 우리가 일상에서 경험하는 대부분의 경우 이러한 양방향 움직임은 완벽하게 괜찮습니다. 하지만 일방통행 도로의 교통처럼 파도가 한 방향으로만 이동해야 한다면 어떨까요?
취리히 연방공대(ETH Zurich) 연구팀이 음파가 후방 반사 없이 전진하도록 유도하는 데 성공했습니다. 니콜라스 누레이 교수와 그의 동료들이 주도한 이번 성과는 통신, 레이더 등의 분야에 잠재적인 영향을 미칠 수 있는 파동 제어 기술의 획기적인 발전을 의미합니다. 연구진은 음파의 세기를 약화시키지 않고도 이를 달성했기 때문에 더욱 놀라운 성과입니다.

반사파의 문제
파동을 한 방향으로만 움직이게 하는 파동 전파 제어 개념은 수년 동안 과학자들의 관심을 끌었습니다. 파동이 원래의 방향으로 되돌아갈 때 발생하는 반사파는 많은 애플리케이션에서 실제 문제를 일으킵니다. 예를 들어 레이더 및 통신 시스템에서 이러한 역방향 파동은 신호를 방해하여 신호가 왜곡되거나 전체 시스템 효율을 떨어뜨릴 수 있습니다.
이 문제를 해결하려는 시도는 이전에도 있었습니다. 10년 전, 연구자들은 음파의 반사를 막는 데 성공했지만 이 과정에서 전진하는 음파가 약해졌습니다. 이 트레이드 오프는 기술의 실제 적용을 제한했습니다.
누레이 교수와 그의 팀은 EPFL의 로맹 플뢰리와 협력하여 이 문제를 정면으로 해결했습니다. 수년간의 노력 끝에 마침내 음파가 뒤로 반사되는 것을 방지하는 동시에 앞으로 나아갈 때 음파의 세기를 보존하고 증폭시키는 솔루션을 개발했습니다.

자체 진동의 힘
이 혁신의 핵심은 외부의 힘 없이 반복되는 시스템 내의 주기적인 움직임인 자체 진동에 있습니다. 이러한 진동은 특히 비행기 엔진과 같은 시스템에서 위험한 진동을 일으킬 수 있어 종종 문제가 되는 것으로 여겨집니다. 하지만 누레이와 그의 팀은 이러한 진동을 활용하여 음파의 단방향 경로를 만드는 방법을 찾아냈습니다.
이 혁신적인 솔루션은 휘파람 소리를 내기 위해 적절한 강도로 공기를 불어넣는 디스크 모양의 구멍에서 시작됩니다. 하지만 이것은 일반적인 휘파람이 아닙니다. 이 시스템은 좁은 공간에서 소리가 앞뒤로 튕겨 나가는 정재파를 생성하는 대신 회전파를 생성합니다.
그런 다음 연구팀은 삼각형 패턴으로 배열된 세 개의 경로, 즉 도파관을 추가했습니다. 음파가 첫 번째 도파관에 들어가면 시스템을 통해 원활하게 이동하여 두 번째 도파관으로 이동합니다. 그러나 음파가 두 번째 도파관에서 들어오려고 하면 차단되어 별도의 세 번째 경로로 리디렉션되므로 음파는 앞으로만 이동할 수 있습니다.

역방향 반사 없이 더 강한 파도
ETH 취리히 팀은 소프라노 고음에 가까운 음높이인 약 800헤르츠의 음파를 사용해 디자인을 테스트했습니다. 실험은 성공적이었습니다. 음파는 뒤로 반사되지 않고 앞으로 나아갔을 뿐만 아니라 서큘레이터의 자체 진동이 제공하는 에너지 부스트 덕분에 들어올 때보다 더 강하게 시스템에서 빠져나왔습니다.
누레이 교수는 "손실 보상 비상호파 전파라는 개념은 다른 시스템에도 적용할 수 있는 중요한 결과라고 생각합니다."라고 말합니다.

사운드 그 너머: 파동 제어의 새로운 지평
이 발견은 음파를 중심으로 이루어졌지만, 잠재적인 응용 분야는 훨씬 더 넓습니다. 레이더나 첨단 통신 시스템과 같이 전자파에 의존하는 기술은 이러한 단방향 제어의 이점을 누릴 수 있습니다. 이러한 분야에서는 정밀도와 방향성이 매우 중요하며, 간섭 없이 신호를 라우팅할 수 있다면 효율성과 성능이 크게 향상될 수 있습니다.
파도의 단방향 라우팅은 효율적인 신호 전송을 위해 안내 경로가 필수적인 위상 회로에서도 유용할 수 있습니다. 이 새로운 개념을 적용하면 미래의 통신 네트워크는 간섭이 훨씬 적은 신호를 전송하여 전송의 신뢰성과 선명도를 높일 수 있습니다.

앞으로 나아가는 새로운 방법
물리학 및 실용적 응용의 한계가 뚜렷한 이 분야에서 취리히 연방 공과대학교 연구팀은 말 그대로 새로운 길을 찾았습니다. 음파를 제어하고 후방 반사를 방지하는 동시에 전방으로 이동하는 신호를 향상시키는 방법을 발견함으로써 수많은 기술 발전의 문을 열었습니다. 사운드, 레이더, 통신 시스템 등 다양한 분야에서 이 획기적인 발견은 앞으로 우리가 전파 전파에 대해 생각하는 방식을 바꿀 수 있습니다.