El sonido se transmite mediante vibraciones periódicas de los átomos en gases, líquidos y sólidos. Cuando hablamos entre nosotros, las cuerdas vocales de quien habla vibran, haciendo que también vibre el aire que sale de sus pulmones. Esto crea ondas sonoras, que luego se propagan por el aire hasta llegar a los tímpanos de quien escucha y hacerlos vibrar también. A partir de estas vibraciones, quien escucha puede reconstruir las palabras de quien habla.
El sonido se ve afectado por el entorno en el que viaja y por la frecuencia de las ondas sonoras. Diseñamos instrumentos musicales para manipular las ondas sonoras que producen. Además, sabemos que hay ondas sonoras fuera del rango de audición humana, como las que produce un silbato para perros. A medida que los físicos han investigado el sonido tanto dentro como fuera del rango de audición humana, se han descubierto propiedades interesantes.
Hace más de cien años, los físicos comprendieron que el calor es simplemente la energía almacenada en las vibraciones de los átomos y, por lo tanto, se dieron cuenta de que el calor y el sonido están relacionados. Ahora, mi laboratorio ha demostrado experimentalmente por primera vez que estas vibraciones atómicas también tienen propiedades magnéticas.
Ampliar nuestro conocimiento del sonido
En la década de 1930, los físicos comenzaron a modelar las vibraciones atómicas como partículas. Esto es similar al concepto de la luz como onda y como partícula, a la que llamamos fotón. Los físicos llamaron «fonones» a las partículas de las ondas sonoras, un término derivado de la palabra griega para sonido.
Hoy en día, los físicos consideran los fonones cuasipartículas, con propiedades tanto ondulatorias como corpusculares. Los fonones transportan tanto sonido como calor. En los metales, el calor se transmite principalmente mediante el movimiento de los electrones de los átomos. Sin embargo, en todos los demás materiales, el calor es transportado casi exclusivamente por los fonones.
Así pues, las propiedades mecánicas, acústicas y térmicas de las ondas sonoras están establecidas desde hace mucho tiempo. Sin embargo, hasta ahora nadie había imaginado que las ondas sonoras también pudieran tener propiedades magnéticas.
¿Calor, sonido… y magnetismo?
En el número del 23 de marzo de Nature Materials, presentamos pruebas experimentales de que las ondas sonoras sí interactúan con campos magnéticos externos.
El experimento se llevó a cabo con un cristal grande y único de un semiconductor muy puro, el antimoniuro de indio, que se había cortado en dos secciones desiguales y luego se había enfriado a unos -445F (-265C). Se hizo fluir una cantidad controlada de calor por cada sección por separado. A estas temperaturas, los fonones pueden considerarse partículas individuales, como corredores en una pista, cada uno con un pequeño cubo de calor.
En la sección pequeña, los fonones chocan a menudo contra las paredes, lo que los ralentiza. La sección pequeña se usa como referencia para que el experimento sea independiente de otras propiedades del sólido que podrían interferir. En la sección grande, los fonones pueden ir más rápido y chocan menos contra las paredes que entre sí. Cuando aplicamos un campo magnético, tienden a chocar entre sí con más frecuencia. Como el campo magnético aumenta el número de colisiones, también ralentiza los fonones y reduce en un 12% la cantidad de calor que transportan.
Creemos que esto se debe a los electrones que giran en órbitas alrededor de cada átomo del sólido. El movimiento orbital de estos electrones genera un campo magnético intrínseco muy pequeño que interactúa con el campo aplicado externamente: un efecto llamado «diamagnetismo». Esta propiedad existe incluso en sustancias que tradicionalmente no consideramos magnéticas, como el vidrio, la piedra o el plástico. Cuando los átomos vibran debido al paso de los fonones, esta interacción ejerce una fuerza sobre ellos que hace que los fonones choquen entre sí con mayor frecuencia.
¿Qué podemos hacer con estos resultados?
En este momento, acabamos de describir un concepto nuevo, algo que nunca antes se había planteado. Quizá los ingenieros puedan usar este concepto para controlar magnéticamente el calor y las ondas sonoras. Las ondas sonoras ya pueden dirigirse eficazmente usando varias fuentes de sonido, como se hace en los sistemas de diagnóstico por imagen mediante ultrasonidos, pero controlar la conducción del calor es mucho más difícil.
La conversión del calor en energía eléctrica o mecánica, como se hace en los motores y las centrales eléctricas, suministra más del 90% de la energía que usa la humanidad. Por lo tanto, poder controlar a voluntad la conducción del calor podría tener un enorme impacto en la producción de energía, aunque, obviamente, las aplicaciones de este concepto emergente aún están bastante lejos en el futuro.
Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autor: Joseph Heremans es catedrático de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, Física y Ciencia e Ingeniería de Materiales en The Ohio State University.
Imagen: Vista del Atomium de Bruselas durante su ceremonia oficial de inauguración. REUTERS.