Các nhà nghiên cứu ETH Zurich đạt được bước đột phá trong việc kiểm soát sóng âm thanh

Trong thế giới tự nhiên, sóng mang bản chất dân chủ. Cho dù đó là âm thanh của giọng nói, ánh sáng rực rỡ hay chuyển động nhịp nhàng của sóng biển, tất cả đều chảy theo cả hai hướng mà không có sự thiên vị. Đối với hầu hết các trải nghiệm hàng ngày của chúng ta, chuyển động hai chiều này hoàn toàn ổn. Nhưng nếu chúng ta cần sóng chỉ di chuyển theo một hướng — giống như giao thông trên đường một chiều thì sao?
Một nhóm các nhà nghiên cứu từ ETH Zurich vừa hoàn thành kỳ tích đó, thành công trong việc điều khiển sóng âm di chuyển về phía trước mà không có bất kỳ phản xạ ngược nào. Bước đột phá này, do Giáo sư Nicolas Noiray và các đồng nghiệp của ông dẫn đầu, đại diện cho một bước tiến lớn trong công nghệ kiểm soát sóng, với những tác động tiềm tàng đối với các lĩnh vực như truyền thông, radar và hơn thế nữa. Thành tựu này thậm chí còn đáng chú ý hơn vì các nhà nghiên cứu đã hoàn thành điều này mà không làm suy yếu sức mạnh của sóng âm.

Vấn đề về sóng phản xạ
Khái niệm kiểm soát sự lan truyền của sóng — khiến sóng di chuyển theo một hướng — đã làm say mê các nhà khoa học trong nhiều năm. Sóng phản xạ, xảy ra khi sóng dội ngược trở lại theo hướng chúng xuất phát, tạo ra các vấn đề thực tế trong nhiều ứng dụng. Ví dụ, trong các hệ thống radar và truyền thông, những sóng di chuyển ngược này có thể gây nhiễu tín hiệu, khiến chúng bị nhiễu hoặc làm giảm hiệu quả chung của hệ thống.
Những nỗ lực giải quyết vấn đề này đã được thực hiện trước đây. Một thập kỷ trước, các nhà nghiên cứu đã ngăn chặn được sóng âm dội ngược trở lại, nhưng quá trình này làm suy yếu sóng chuyển động về phía trước. Sự đánh đổi này đã hạn chế các ứng dụng thực tế của công nghệ.
Giáo sư Noiray và nhóm của ông, hợp tác với Romain Fleury từ EPFL, đã giải quyết thách thức này một cách trực diện. Sau nhiều năm nỗ lực, cuối cùng họ đã phát triển được một giải pháp — giải pháp ngăn sóng âm phản xạ ngược trở lại trong khi vẫn bảo toàn và thậm chí khuếch đại cường độ của chúng khi chúng di chuyển về phía trước.

Sức mạnh của sự dao động bản thân
Chìa khóa cho bước đột phá này nằm ở thứ gọi là tự dao động, là những chuyển động tuần hoàn trong một hệ thống lặp lại mà không có lực bên ngoài nào điều khiển chúng. Những dao động này thường được coi là có vấn đề, đặc biệt là trong các hệ thống như động cơ máy bay, nơi chúng có thể gây ra rung động nguy hiểm. Nhưng Noiray và nhóm của ông đã tìm ra cách khai thác những dao động này để tạo ra một đường đi một chiều cho sóng âm.
Giải pháp sáng tạo của họ bắt đầu bằng một khoang hình đĩa mà không khí được thổi qua với cường độ vừa phải để tạo ra âm thanh huýt sáo. Nhưng đây không phải là tiếng huýt sáo thông thường của bạn. Thay vì tạo ra sóng dừng, nơi âm thanh dội lại bên trong một không gian hạn chế, hệ thống này tạo ra sóng quay.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã thêm ba đường dẫn, hay ống dẫn sóng, được sắp xếp theo hình tam giác. Khi sóng âm đi vào ống dẫn sóng đầu tiên, nó sẽ di chuyển trơn tru qua hệ thống và tiến về phía trước vào ống dẫn sóng thứ hai. Tuy nhiên, nếu sóng âm cố gắng đi vào từ ống dẫn sóng thứ hai, nó sẽ bị chặn lại và chuyển hướng vào một đường dẫn thứ ba riêng biệt, đảm bảo sóng chỉ có thể di chuyển về phía trước.

Sóng mạnh hơn mà không có sự phản xạ ngược
Nhóm ETH Zurich đã thử nghiệm thiết kế của họ với sóng âm ở tần số khoảng 800 Hertz, cao độ gần với nốt nhạc soprano cao. Thí nghiệm đã thành công. Sóng âm không chỉ truyền về phía trước mà không phản xạ ngược lại, mà còn thoát ra khỏi hệ thống mạnh hơn khi chúng đi vào, nhờ vào sự tăng cường năng lượng do dao động tự thân trong bộ tuần hoàn cung cấp.
Giáo sư Noiray cho biết: “Theo quan điểm của chúng tôi, khái niệm về sự lan truyền sóng không tương hỗ được bù trừ tổn thất này là một kết quả quan trọng cũng có thể được chuyển giao sang các hệ thống khác”.

Vượt ra ngoài âm thanh: Một biên giới mới cho việc kiểm soát sóng
Trong khi khám phá này tập trung vào sóng âm, các ứng dụng tiềm năng còn đi xa hơn nữa. Các công nghệ dựa vào sóng điện từ, chẳng hạn như radar và hệ thống truyền thông tiên tiến, có thể được hưởng lợi từ loại điều khiển một chiều này. Độ chính xác và tính định hướng là rất quan trọng trong các lĩnh vực này và khả năng định tuyến tín hiệu mà không bị nhiễu có thể dẫn đến những cải tiến đáng kể về hiệu quả và hiệu suất.
Việc định tuyến sóng một chiều cũng có thể hữu ích trong các mạch tôpô, nơi các đường dẫn có hướng dẫn là cần thiết để truyền tín hiệu hiệu quả. Bằng cách áp dụng khái niệm mới này, các mạng truyền thông trong tương lai có thể gửi tín hiệu với ít nhiễu hơn nhiều, tăng cường độ tin cậy và độ rõ nét của truyền dẫn.

Một con đường mới tiến về phía trước
Trong một lĩnh vực thường được đánh dấu bằng các giới hạn của vật lý và các ứng dụng thực tế, nhóm nghiên cứu tại ETH Zurich đã tìm ra một con đường mới — theo nghĩa đen. Bằng cách khám phá ra một cách để kiểm soát sóng âm và ngăn chặn sự phản xạ ngược trong khi tăng cường tín hiệu chuyển động về phía trước, họ đã mở ra cánh cửa cho nhiều tiến bộ công nghệ. Cho dù trong âm thanh, radar hay hệ thống truyền thông, bước đột phá này có thể định hình lại cách chúng ta nghĩ về sự lan truyền sóng trong những năm tới.