Новый топологический метаматериал экспоненциально усиливает звуковые волны

Исследователи из AMOLF в сотрудничестве с партнерами из Германии, Швейцарии и Австрии создали новый тип метаматериала, через который беспрецедентным образом текут звуковые волны. Он обеспечивает новую форму усиления механических вибраций, которая потенциально может улучшить сенсорные технологии и устройства обработки информации.

Этот метаматериал является первым примером так называемой «бозонной цепочки Китаева», которая приобретает свои особые свойства благодаря своей природе топологического материала. Это было реализовано путем взаимодействия наномеханических резонаторов с лазерным светом посредством сил давления излучения.

Открытие, которое опубликовано в журнале Природабыло достигнуто в результате международного сотрудничества между AMOLF, Институтом науки о свете Макса Планка, Базельским университетом, ETH Цюриха и Венским университетом.

«Цепочка Китаева» — это теоретическая модель, описывающая физику электронов в сверхпроводящем материале, в частности в нанопроволоке. Модель известна тем, что предсказывает существование особых возбуждений на концах такой нанопроволоки: нулевых мод Майорана. Они вызвали большой интерес из-за их возможного использования в квантовых компьютерах.

Руководитель группы AMOLF Эволд Верхаген сказал: «Нас интересовала модель, которая выглядит математически идентично, но описывает волны, подобные свету или звуку, а не электроны. Поскольку такие волны состоят из бозонов (фотонов или фононов), а не фермионов (электронов), их Ожидается, что поведение будет совсем другим. Тем не менее, в 2018 году было предсказано, что бозонная цепочка Китаева демонстрирует удивительное поведение, которое на сегодняшний день неизвестно ни для одного природного материала, ни для какого-либо метаматериала. Хотя многие ученые были заинтересованы, экспериментальная реализация оставалась неуловимой. «

Оптические пружины

Бозонная цепочка Китаева по сути представляет собой цепочку связанных резонаторов. Это метаматериал, то есть синтетический материал с инженерными свойствами: резонаторы можно рассматривать как «атомы» материала, и то, как они соединяются друг с другом, контролирует коллективное поведение метаматериала; в данном случае происходит распространение звуковых волн вдоль цепи.

«Соединения — звенья бозонной цепи Китаева — должны быть особенными, и их нельзя изготовить, например, из обычных пружин», — говорит первый автор Природа бумага Джесси Слим.

«Мы поняли, что можем экспериментально создать необходимые связи между наномеханическими резонаторами — небольшими вибрирующими кремниевыми струнами на чипе — соединяя их с помощью сил, создаваемых светом, создавая таким образом «оптические» пружины. Тщательно изменяя интенсивность лазера в течение время тогда позволило соединить пять резонаторов и реализовать бозонную цепочку Китаева».

Экспоненциальное усиление

Результат был поразительным. «Оптическая связь математически напоминает сверхпроводящие звенья фермионной цепочки Китаева», — говорит Верхаген.

«Но незаряженные бозоны не обладают сверхпроводимостью; вместо этого оптическая связь усиливает наномеханические колебания. В результате звуковые волны, которые представляют собой механические колебания, распространяющиеся через массив, экспоненциально усиливаются от одного конца к другому.

«Интересно, что в обратном направлении передача колебаний запрещена. И еще более интригующе, если волна задерживается немного — на четверть периода колебаний — поведение полностью инвертируется: сигнал усиливается назад и блокируется вперед. Таким образом, бозонная цепочка Китаева действует как уникальный тип направленного усилителя, который может иметь интересные применения для манипулирования сигналами, в частности, в квантовых технологиях».

Топологический метаматериал

Интересные свойства нулевых мод Майорана в электронной цепочке Китаева связаны с топологичностью материала. В топологических материалах определенные явления неизменно связаны с общим математическим описанием материала. Эти явления тогда топологически защищены, а это означает, что они гарантированно существуют, даже если материал страдает от дефектов и возмущений.

За понимание топологических материалов была присуждена Нобелевская премия по физике в 2016 году, но она охватывала только материалы, не обладающие усилением или затуханием. Описание топологических фаз, включающих усиление, до сих пор остается темой интенсивных исследований и дискуссий.

Вместе с соавторами теории Кларой Ваньюра (Институт науки о свете Макса Планка), Маттео Брунелли (Базельский университет), Хавьером дель Пино (ETH Цюрих) и Андреасом Нунненкампом (Венский университет) исследователи AMOLF показали, что бозонный Китаев Цепь на самом деле представляет собой новую топологическую фазу материи.

Наблюдаемое направленное усиление — это топологическое явление, связанное с этой фазой материи, как и предсказали исследователи теории в 2018 году.

Они продемонстрировали уникальную экспериментальную характеристику топологической природы метаматериала: если цепочка замкнута, образуя «ожерелье», усиленные звуковые волны в кольце резонаторов продолжают циркулировать и достигают очень высокой интенсивности, подобной сильной Световые лучи генерируются в лазерах.

Повышение производительности сенсора?

Верхаген сказал: «Из-за топологической защиты усиление в принципе нечувствительно к помехам. усиленные сигналы по цепочке могут внезапно снова двигаться назад, испытывая усиление во второй раз.В результате система очень чувствительна к такому небольшому возмущению, которое может быть вызвано массой молекулы, прилипшей к резонатору, или взаимодействующим кубитом. с этим.»

Верхаген хочет изучить возможности повышения чувствительности наномеханических датчиков в этих системах. «В наших экспериментах мы увидели первые признаки сенсорных возможностей, и это очень интересно. Теперь нам нужно более подробно изучить, как работают эти топологические датчики, повышается ли чувствительность при наличии различных типов источников шума и какие интересные сенсорные технологии могут извлечь выгоду из этих принципов. Это только начало этих усилий».