En undersøgelse undersøger grænserne for topologiske isolatorer ved hjælp af lydbølger

I denne slags strukturer, lydsignaler forbliver robuste og ufølsomme over for støj forårsaget af urenheder og defekter i materialet. Inden for rammerne af denne forskning, forskere har opdaget, at den akustiske topologiske isolator kunne fungere som en ekstremt robust bølgeleder, i stand til at udstråle lyd i en meget smal stråle mod det fjerne felt. Denne fokuserede akustiske stråle kan være ekstremt vigtig til applikationer såsom ikke-destruktiv test ved ultralyd eller ved diagnostiske ultralydsscanninger inden for medicin og biologi, som forskerne påpegede.

I en artikel, for nylig offentliggjort i tidsskriftet Kommunikationsfysik sammen med fysikere fra University of Nanjing (Kina) og Stanford University (USA), forskere har gennemgået de nyeste undersøgelser om udviklingen af ​​dette emne relateret til kvantefysik. Dette forskningsområde er i spidsen for fysik og vandt Nobelprisen i fysik 2016. Forskerne, der udførte denne undersøgelse, ville se om fænomenet topologiske isolatorer, traditionelt brugt i kvantefysik til at styre elektriske signaler, kunne have en tilsvarende effekt ved hjælp af lydbølger.

"Ideen var at bruge et koncept så eksotisk, at det kunne producere helt nye muligheder for akustiske transducere, sensorer og bølgeledere. I øvrigt, fra et mere fysisk perspektiv, det ville betyde, at visse effekter i kvantefysikken har en ækvivalent i klassisk lydbølgefysik ", kommenterer en af ​​forfatterne til undersøgelsen, Johan Christensen, fra fysikafdelingen på UC3M.

For det, forskerne ønskede at efterligne den såkaldte "dal-Hall-effekt", bruges til at undersøge elektrisk ledning i forskellige ledende og halvledende materialer. Denne effekt betyder, at magnetfeltet har en tendens til at adskille de positive ladninger fra de negative ladninger i modsatte retninger, så "dalene" er maksimum og minimum af elektronenergi i et krystalfast stof. Balancen genoprettes, når den kraft, der påføres af det elektriske felt, der genereres ved fordelingen af ​​ladninger, modsætter sig den kraft, der påføres af magnetfeltet. Med det formål at efterligne en akustisk version af denne dal-Hall-effekt, forskerne skabte en kunstig makroskopisk krystal inspireret af vævningen af ​​japanske kurve kendt som "kagome, "erstatning af bambus med små cylindre af epoxyharpiks. Denne krystal funktion blev forklaret sidste år i flere artikler udgivet af Johan Christensen i de videnskabelige tidsskrifter Avancerede materialer og Fysisk gennemgangsbreve .

"Mærkeligt nok, de akustiske topologiske tilstande relateret til dalen-Hall-effekten viser en cirkulerende hvirvel, som, til vores overraskelse, har produceret uventede og hidtil usete egenskaber for akustik ", forklarer Johan Christensen. "Vores Kagome -krystal viste utrolig modstand mod udtalte defekter, kurver og sving, når lyden føres over overfladen eller grænsefladen af ​​krystallen ".