チューリッヒ工科大学の研究者、音波の制御でブレークスルーを達成

自然界では、波はもともと民主的なものである。声の響きであれ、光の輝きであれ、海の波のリズミカルな動きであれ、それらはすべて偏りなく双方向に流れている。私たちの日常的な体験の大半は、この双方向の動きでまったく問題ない。しかし、一方通行の交通のように、一方向にしか波が流れないとしたらどうだろう？
チューリッヒ工科大学の研究チームが、音波を後方反射させることなく前方に導くという偉業を成し遂げた。ニコラ・ノイレイ教授らが率いるこの画期的な成果は、波動制御技術における大きな飛躍を意味し、通信やレーダーなどの分野に影響を与える可能性がある。この成果は、音波の強度を弱めることなく達成されたため、さらに注目に値する。

反射波の問題
波の伝搬を制御する、つまり波を一方向だけに動かすという概念は、長年科学者を魅了してきた。反射波とは、波が元来た方向に跳ね返るときに発生するもので、多くの応用分野で現実的な問題を引き起こしている。例えば、レーダーや通信システムでは、後方に動く波が信号に干渉し、信号が文字化けしたり、システム全体の効率を低下させたりすることがある。
この問題を解決しようとする試みは以前にもあった。10年前、研究者たちは音波の跳ね返りを止めることに成功したが、その過程で前進する音波が弱くなってしまった。このトレードオフにより、この技術の実用化には限界があった。
EPFLのロマン・フルーリーと共同で、ノイレイ教授と彼のチームはこの難題に真っ向から取り組んだ。長年の努力の末、彼らはついに解決策を開発した。それは、音波の後方への反射を防ぐと同時に、音波が前方に進む際の強度を維持し、さらには増幅させるというものである。

自己発振の力
このブレークスルーの鍵は、自己発振と呼ばれるものにある。自己発振とは、外部からの力なしに繰り返されるシステム内の周期的な動きのことである。このような振動は、特に航空機のエンジンのようなシステムでは、危険な振動を引き起こす可能性があり、しばしば問題視されている。しかし、ノイレイと彼のチームは、この振動を利用して音波の一方通行経路を作る方法を発見した。
彼らの革新的なソリューションは、円盤状の空洞から始まり、そこから空気がちょうどいい強さで吹き込まれ、口笛のような音を生み出す。しかし、これは一般的な口笛ではない。限られた空間の中で音が行ったり来たりする定在波の代わりに、このシステムは回転波を発生させる。
そこで研究チームは、三角形パターンに配置された3つの経路（導波管）を追加した。音波が第1の導波管に入ると、システム内をスムーズに移動し、第2の導波管へと進む。しかし、音波が2番目の導波管から入ろうとすると、音波はブロックされ、別の3番目の経路にリダイレクトされる。

後方反射のない強い波
チューリッヒ工科大学の研究チームは、約800ヘルツの周波数の音波でその設計をテストした。実験は成功した。音波は後方へ反射することなく前方へ伝わっただけでなく、サーキュレーターの自己発振によるエネルギーブーストのおかげで、入ってきたときよりも強くなって出てきた。
「この損失補償された非相反的な波動伝播の概念は、他のシステムにも転用できる重要な結果だと我々は考えています」とノイレイ教授は言う。

音を超えて：波動制御の新たなフロンティア
この発見の中心は音波であるが、応用の可能性はもっと先にある。レーダーや高度な通信システムなど、電磁波に依存する技術は、このような一方向制御から恩恵を受ける可能性がある。これらの分野では精度と指向性が極めて重要であり、干渉を受けずに信号をルーティングできるようになれば、効率と性能の大幅な向上につながる可能性がある。
波の一方通行ルーティングは、誘導経路が効率的な信号伝送に不可欠なトポロジカル回路にも役立つ可能性がある。この新しい概念を応用することで、将来の通信ネットワークは、はるかに少ない干渉で信号を送ることができ、伝送の信頼性と明瞭性を高めることができるかもしれない。

新たな前進
チューリッヒ工科大学の研究チームは、物理学と実用化の限界に直面することの多いこの分野で、文字通り新たな道を見出した。音波を制御し、後方への反射を防ぎながら前方への信号を強化する方法を発見したことで、彼らは多くの技術的進歩への扉を開いた。音響、レーダー、通信システムのいずれにおいても、このブレークスルーは、今後何年にもわたって、波動伝播についての考え方を再構築する可能性がある。