Opdagelse af nye mekanismer til at kontrollere lydstrømmen

Ved hjælp af et netværk af vibrerende nano-strenge styret med lys har forskere fra AMOLF fået lydbølger til at bevæge sig i en bestemt irreversibel retning og for første gang dæmpet eller forstærket bølgerne på en kontrolleret måde. Dette giver anledning til en lasende effekt for lyd. Til deres overraskelse opdagede de nye mekanismer, såkaldte "geometriske faser", hvormed de kan manipulere og transmittere lyd i systemer, hvor det blev anset for at være umuligt. "Dette åbner vejen for nye typer (meta)materialer med egenskaber, som vi endnu ikke kender fra eksisterende materialer," siger gruppeleder Ewold Verhagen, der sammen med fælles førsteforfattere Javier del Pino og Jesse Slim offentliggør de overraskende resultater på 2. juni i Nature .

Elektroner og andre ladede partiklers reaktion på magnetiske felter fører til mange unikke fænomener i materialer. »Vi har længe ønsket at vide, om der kunne opnås en effekt svarende til et magnetfelt på elektroner på lyd, som ikke har nogen ladning,« siger Verhagen. "Et magnetfelts indflydelse på elektroner har en bred indvirkning:For eksempel kan en elektron i et magnetfelt ikke bevæge sig ad samme vej i den modsatte retning. Dette princip ligger til grund for forskellige eksotiske fænomener på nanometerskalaen, som f.eks. som kvante Hall-effekten og funktionen af ​​topologiske isolatorer (materialer, der leder strøm perfekt ved deres kanter og ikke i deres bulk). Til mange anvendelser ville det være nyttigt, hvis vi kunne opnå det samme for vibrationer og lydbølger og derfor bryde symmetri af deres udbredelse, så det er ikke tids-reverseringssymmetrisk længere."

Magnetisk felt for lyd

I modsætning til elektroner har mekaniske vibrationer ingen ladning, og derfor reagerer de ikke på magnetiske felter. De er dog følsomme over for lysets strålingstryk. Verhagens gruppe brugte derfor laserlys til at påvirke mekaniske nano-resonatorer. I 2020 brugte de de samme vibrerende strenge til at demonstrere, at tidsvendende symmetri kunne brydes for lyd, der hopper fra en resonator til en anden:lydoverførsel fra en streng til en anden er anderledes end i den modsatte retning. Se også nyheden af ​​3. februar 2020. "Vi har nu vist, at hvis vi laver et netværk af flere vibrerende nano-strenge, kan vi realisere en række ukonventionelle vibrationsmønstre ved at belyse strengene med laserlys," siger Verhagen. "For eksempel lykkedes det os at få lydpartikler (fononer) til at bevæge sig i en enkelt retning på samme måde som elektroner i kvante Hall-effekten."

Forstærkning

Forskerne indså, at de også kunne bruge strålingstrykket til at styre forstærkningen og dæmpningen af ​​lyden. "Det fungerer på samme måde som et barn på en gynge, der forlænger eller trækker benene tilbage i det rigtige øjeblik," forklarer Verhagen. "En sådan forstærkning eller dæmpning er ikke mulig for elektroner i et magnetfelt."

Forskerne var de første til at lave eksperimenter, hvor drivlyset forstærker lydbølgerne, samtidig med at det sikres, at disse oplever en effekt svarende til et magnetfelts. "Vi opdagede, at kombinationen af ​​forstærkning og brud på tids-reverseringssymmetrien fører til en række nye og uventede fysiske effekter," siger Verhagen. "Først og fremmest bestemmer laserlyset i hvilken retning lyden forstærkes. I den anden retning blokeres lyden. Dette skyldes en geometrisk fase:en størrelse, der angiver, i hvor høj grad lydbølgen forskydes, mens den passerer gennem netværket af nano-strenge, som i dette tilfælde er forårsaget af strålingstrykket. Vores eksperiment gav os mulighed for fuldt ud at kontrollere og ændre den geometriske fase. Derudover brugte vi strålingstrykket fra laserlyset til at forstærke lyden. Den lyd kan endda spontant begynde at svinge, som lys i en laser. Vi opdagede, at den geometriske fase, vi anvender, bestemmer, om det sker eller ej, og med hvilken styrke af forstærkningen."

Nye materialer

Forskerne opdagede, at nye geometriske faser kunne realiseres i systemer, hvor det ikke blev anset for at være muligt. I alle disse påvirker faserne lydbølgernes forstærkning, retning og tonehøjde. "Geometriske faser er vigtige i mange grene af fysikken, der beskriver forskellige systemers og materialers opførsel. Når de kombineres med magnetiske felter, kan de føre til en topologisk isolator for elektroner, men hvilke egenskaber kan en "lyd"-variant baseret på de opdagede principper kunne have er noget, vi stadig mangler at lære, men vi ved, at det ikke kommer til at ligne noget, vi kender," fastslår Verhagen. "Vi kunne yderligere undersøge effekterne ved at forbinde flere nano-strenge i akustiske 'metamaterialer', som vi styrer med lys. Men de effekter, som vi har observeret, bør gælde for en række bølger uden ladning, herunder lys, mikrobølger, kolde atomer mv. cetera. Vi forventer, at det med de nye mekanismer, vi har opdaget, vil være muligt at producere nye (meta)materialer med egenskaber, som vi endnu ikke kender fra eksisterende materialer."

Sådanne materialer og systemer har usædvanlige egenskaber, der kan have nyttige anvendelser. Verhagen:"Det er endnu for tidligt at give et fuldstændigt overblik over mulighederne. Vi kan dog allerede nu genkende nogle potentielle retninger. For eksempel kunne en ensrettet forstærker til bølger have nyttige anvendelsesmuligheder inden for kvantekommunikation. Vi kunne også lave sensorer langt flere følsomme ved at bryde tids-reverseringssymmetrien." + Udforsk yderligere

Vibrationer på en chip mærker et magnetfelt