باحثون من المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ يحققون اختراقاً في التحكم في الموجات الصوتية

في العالم الطبيعي، الأمواج ديمقراطية بطبيعتها. سواء كان الأمر يتعلق بصوت الأصوات، أو توهج الضوء، أو الحركة الإيقاعية لأمواج المحيط، فإنها جميعًا تتدفق في كلا الاتجاهين دون تحيز. وبالنسبة لمعظم تجاربنا اليومية، فإن هذه الحركة في كلا الاتجاهين مقبولة تمامًا. ولكن ماذا لو احتجنا إلى أن تسافر الأمواج في اتجاه واحد فقط - مثل حركة المرور في شارع ذي اتجاه واحد؟
لقد نجح فريق من الباحثين من المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ في تحقيق هذا الإنجاز، حيث نجحوا في توجيه الموجات الصوتية إلى الأمام دون أي انعكاس للخلف. ويمثل هذا الاختراق، الذي قاده البروفيسور نيكولاس نويري وزملاؤه، قفزة كبيرة إلى الأمام في تكنولوجيا التحكم في الموجات، مع تأثيرات محتملة على مجالات مثل الاتصالات والرادار وما إلى ذلك. والإنجاز أكثر روعة لأن الباحثين حققوا ذلك دون إضعاف قوة الموجات الصوتية.

مشكلة الموجات المنعكسة
لقد أذهل مفهوم التحكم في انتشار الموجات ـ أي جعل الموجات تتحرك في اتجاه واحد فقط ـ العلماء لسنوات. فالموجات المنعكسة، التي تحدث عندما ترتد الموجات في الاتجاه الذي جاءت منه، تخلق مشاكل حقيقية في العديد من التطبيقات. على سبيل المثال، في أنظمة الرادار والاتصالات، يمكن لهذه الموجات التي تتحرك للخلف أن تتداخل مع الإشارات، مما يتسبب في تشويشها أو تقليل كفاءة النظام بشكل عام.
لقد جرت محاولات سابقة لحل هذه المشكلة. فقبل عقد من الزمان، تمكن الباحثون من منع الموجات الصوتية من الارتداد، لكن العملية أضعفت الموجات المتحركة للأمام. وقد أدى هذا التوازن إلى الحد من التطبيقات العملية لهذه التكنولوجيا.
وقد واجه البروفيسور نويري وفريقه، بالتعاون مع رومان فلوري من المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا، هذا التحدي بشكل مباشر. وبعد سنوات من الجهد، تمكنوا أخيرًا من تطوير حل يمنع الموجات الصوتية من الانعكاس إلى الخلف مع الحفاظ على قوتها بل وحتى تضخيمها أثناء تحركها إلى الأمام.

قوة التذبذبات الذاتية
إن مفتاح هذا الاختراق يكمن في ما يسمى بالتذبذبات الذاتية، وهي حركات دورية داخل نظام تتكرر دون أي قوة خارجية تدفعها. وكثيراً ما يُنظَر إلى هذه التذبذبات على أنها مشكلة، وخاصة في أنظمة مثل محركات الطائرات، حيث يمكن أن تسبب اهتزازات خطيرة. ولكن نويراي وفريقه وجدوا طريقة لتسخير هذه التذبذبات لإنشاء مسار أحادي الاتجاه للموجات الصوتية.
يبدأ الحل المبتكر الذي توصلوا إليه بتجويف على شكل قرص يتم من خلاله نفخ الهواء بالكثافة المناسبة لإنتاج صوت صفير. ولكن هذه ليست الصفارة التقليدية. فبدلاً من إنشاء موجة ثابتة، حيث يرتد الصوت ذهابًا وإيابًا داخل مساحة محصورة، يولد هذا النظام موجة دوارة.
ثم أضاف الفريق ثلاثة مسارات، أو موجهات، مرتبة في نمط مثلثي. عندما تدخل موجة صوتية الموجه الأول، تنتقل بسلاسة عبر النظام وتتحرك للأمام إلى الموجه الثاني. ومع ذلك، إذا حاولت الموجة الصوتية الدخول من الموجه الثاني، يتم حظرها وإعادة توجيهها إلى مسار ثالث منفصل، مما يضمن أن الموجة لا يمكنها التحرك إلا للأمام.

موجات أقوى بدون انعكاس خلفي
وقد اختبر فريق المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ تصميمهم باستخدام موجات صوتية بتردد يبلغ نحو 800 هرتز، وهو تردد قريب من نغمة السوبرانو العالية. وقد نجحت التجربة. فلم تنتقل الموجات الصوتية إلى الأمام فقط دون أن تنعكس إلى الخلف، بل إنها خرجت من النظام أقوى مما كانت عليه عندما دخلت إليه، وذلك بفضل دفعة الطاقة التي توفرها التذبذبات الذاتية في الدائرة.
وقال البروفيسور نويري: "إن مفهوم انتشار الموجات غير المتبادلة معوضًا عن الخسارة هو في رأينا نتيجة مهمة يمكن نقلها أيضًا إلى أنظمة أخرى".

ما وراء الصوت: آفاق جديدة للتحكم في الموجات
ورغم أن هذا الاكتشاف يركز على الموجات الصوتية، فإن التطبيقات المحتملة تذهب إلى أبعد من ذلك بكثير. فالتقنيات التي تعتمد على الموجات الكهرومغناطيسية، مثل الرادار وأنظمة الاتصالات المتقدمة، قد تستفيد من هذا النوع من التحكم أحادي الاتجاه. والدقة والاتجاهية أمران حاسمان في هذه المجالات، والقدرة على توجيه الإشارات دون تداخل قد تؤدي إلى تحسينات كبيرة في الكفاءة والأداء.
إن توجيه الموجات في اتجاه واحد قد يكون مفيدًا أيضًا في الدوائر الطوبولوجية، حيث تكون المسارات الموجهة ضرورية لنقل الإشارات بكفاءة. ومن خلال تطبيق هذا المفهوم الجديد، قد تتمكن شبكات الاتصالات المستقبلية من إرسال الإشارات بتداخل أقل بكثير، مما يعزز موثوقية ووضوح الإرسال.

طريق جديد للمضي قدما
في مجال يتسم غالبًا بحدود الفيزياء والتطبيقات العملية، وجد فريق المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ مسارًا جديدًا - حرفيًا. من خلال اكتشاف طريقة للتحكم في الموجات الصوتية ومنع الانعكاس للخلف مع تعزيز الإشارة المتحركة للأمام، فتحوا الباب أمام العديد من التطورات التكنولوجية. سواء في الصوت أو الرادار أو أنظمة الاتصالات، يمكن أن يعيد هذا الاختراق تشكيل الطريقة التي نفكر بها في انتشار الموجات في السنوات القادمة.