Zamislite šetnju mjesečinom. Plesačica se kreće unatrag iako izgleda kao da hoda naprijed. U kvantnom svijetu, valovi mogu učiniti sličnu stvar: valovi unatrag kreću se u jednom smjeru dok se njihova energija kreće u drugom smjeru.

Grupa znanstvenika predložila je novu vrstu materijala koji bi mogao stvoriti ove valove mjesečevog hoda pri prijenosu zvuka. Svoj dizajn objavili su u časopisu Nature Communications.

Materijal pripada kategoriji zvanoj metamaterijali, što je sveobuhvatni izraz za svaku umjetnu tvar koja ima svojstva koja se ne mogu vidjeti u prirodi. Zanimanje ljudi za ove iznenađujuće kreacije počelo je prije više od jednog stoljeća, rekao je Andrea Alù, istraživač metamaterijala na The City College of New York, koji nije bio uključen u novo istraživanje. Taj je interes rastao u posljednjih nekoliko desetljeća, rekao je, jer su znanstvenici postali sposobni proizvoditi materijale na nanometarskoj skali s visokom preciznošću. A uzbuđenje zbog metamaterijala proširilo se i izvan znanstvene zajednice kako je istraživanje počelo proizvoditi prave verzije ogrtača nevidljivosti.

Grupa koja stoji iza novog dodatka portfelju metamaterijala inspirirana je superfluidnim helijem-4: tekućim oblikom helija bez viskoznosti koji se može promatrati samo na ekstremno niskoj temperaturi od oko minus 268 stupnjeva Celsiusa. Osim što ima sposobnost penjanja uz zid, superfluidni helij-4 također pokazuje akustični fenomen povratnog vala.

Međutim, cilj istraživača nije bio kopirati superfluidni helij-4, rekao je Martin Wegener, istraživač metamaterijala na Tehnološkom institutu Karlsruhe u Njemačkoj i stariji autor rada. Umjesto toga, on i njegova grupa htjeli su dizajnirati novi materijal od nule. Grupa je prvo zamislila jednostavan jednodimenzionalni model s točkama i oprugama, umjesto atoma i veza. U modelu su susjedne točke bile povezane jedna s drugom preko opruga, tvoreći niz. Budući da su znanstvenici iz svog prethodnog istraživanja zaključili da je ključ ponašanja unatrag valova u dalekim interakcijama, grupa je dodala i čvršće opruge koje bi povezivale treće najbliže točke. Kada je grupa izvodila matematičke simulacije koristeći svoj model, uočeno je ponašanje koje je grupa tražila: povratne valove.

Međutim, kako bi proizveli metamaterijal iz stvarnog života, grupa bi morala transformirati svoj jednodimenzionalni model u 3D dizajn - težak zadatak, rekao je Wegener. Istraživači su točke zamijenili kockama, a opruge šipkama, te dizajnirali rešetkastu strukturu u kojoj su susjedne kocke povezane okomito, dok su treće najbliže susjedne kocke povezane dijagonalnim i horizontalnim šipkama. Prema izračunima grupe, ako bi dizajn bio 3D precizno ispisan, rezultirajući metamaterijal pokazao bi mreškanje zvučnog vala koji se kreće u suprotnom smjeru od protoka energije.

Alù je rekao da je dizajn Wegenera i njegove grupe pokazao kontraintuitivnu geometriju s kojom znanstvenici ne bi odmah pomislili da eksperimentiraju. Obično, kada atomi ili molekule međusobno komuniciraju u materijalu koji ima ponavljajući uzorak, kao u Wegenerovom novom dizajnu, oni međusobno djeluju uglavnom preko svojih najbližih susjeda, rekao je Alù.

Žiri još uvijek ne zna kako bi se novi metamaterijal izveo u stvarnom životu ili kojoj bi svrsi služio fenomen zvučnih valova unatrag. "Mi i mnogi drugi ljudi u području metamaterijala još se igramo s mogućnostima", rekao je Wegener. "Pokušavamo otkriti što je to što možemo učiniti izvan onoga što obični materijali mogu ponuditi."

Wegener je rekao da su on i njegova grupa uspješno oživjeli dizajn.

Iako je ovaj metamaterijal razvijen bez posebne primjene na umu, istraživanje metamaterijala obično je vođeno nezadovoljenim potrebama koje tradicionalni materijali ne mogu zadovoljiti, rekao je Alù. Znanost izrade materijala s naizgled nemogućim svojstvima također može dovesti do otkrića i primjena koje tek treba zamisliti, rekao je. "To je prekrasno polje jer... daje vam priliku da utječete na tehnologiju."