Forskere finder, at ufuldkommenheder giver beskyttelse mod systemsymmetri

Et internationalt forskningssamarbejde har opdaget, hvordan man kan udnytte visse defekter til at beskytte indesluttet energi i akustiksystemer. Deres eksperimentelle tilgang giver en alsidig platform til at skabe at-vilje-defekter til yderligere teoretisk validering og til at forbedre kontrollen af ​​bølger i andre systemer, såsom lys, ifølge hovedforsker Yun Jing, lektor i akustik og i biomedicinsk teknik ved Penn State.

Holdet offentliggjorde deres resultater i Physical Review Letters , flagskibspublikationen af ​​American Physical Society. Forskningen blev valgt som "Redaktørens forslag" og blev også omtalt i en kommentarartikel af APS.

Værket forholder sig til fononer, og potentielt deres optiske ækvivalent, fotoner, som kan navigere i specifikke grænser i såkaldte topologiske gitter uden spredning. Sådanne gitter blev først opdaget i kondenseret stof, hvor materialer består af atomer, der gentager sig i præcise mønstre, holdt sammen gennem kraften fra deres koblinger - eller hvordan de er bundet til hinanden på en sådan måde, at en ændring i en partner kan påvirke Andet. Ifølge Jing er disse materialer kendt for at være vært for topologisk beskyttede tilstande, som forbliver uændrede, selvom systemet indeholder visse ufuldkommenheder.

At flytte disse ønskede tilstande ud over deres restriktive grænser til hovedparten af ​​materialet kan føre til nye anvendelser inden for sansning, sagde Jing. For nogle stater kræver en sådan bevægelse imidlertid at introducere nye defekter, der ofte bryder systemets chirale symmetri - en nøgleegenskab, der tillader maksimal indeslutning af de tilstande, der er bundet til den introducerede defekt. Det betyder, at statens energi er så isoleret som muligt fra tilstande, der kan formindske eller forstyrre den.

"Chiral symmetri indebærer eksistensen af ​​symmetrisk spektrum:alle tilstande i systemet kommer enten i par, med frekvenser lige langt fra nul frekvens, eller de har ikke en partner og sidder nøjagtigt på nul frekvens," sagde Jing og bemærkede, at det andet tilfælde er overordentlig sjælden og forekommer kun i særlige konfigurationer af topologiske defekter specifikt i topologiske gitter, herunder en kaldet en disklination. "Det er imidlertid afgørende, at topologiske defekter - som er nødvendige for at indlejre den ønskede tilstand i hovedparten af ​​gitteret - ofte forstyrrer den chirale symmetri, hvilket besejrer formålet med at have en topologisk struktur til at begynde med."

Forskerne kunne have lavet disklinationer, der adlød chiral symmetri, men de faldt i den første symmetriske spektrumkategori af jævnt parrede tilstande placeret jævnt væk fra nul frekvens. Medforfatter Wladimir A. Benalcazar, som var Eberly Postdoc Fellow i Penn State Department of Physics på forskningstidspunktet og nu er Moore Postdoctoral Fellow ved Princeton University, teoretiserede, at eftersom disklinationstilstande er bundet til defektens kerne, måske kunne symmetrien af ​​selve disklineringen overvejes for at forhindre tilstandene ved nulfrekvens i at adskilles.

For at teste dette designede forskerne et akustisk honeycomb-gitter som en analog til et krystalgitter. Ifølge Jing er det meget lettere at konstruere og manipulere defekter i et akustisk system end i krystallinske materialer. Ved at bruge cylindriske hulrum til at repræsentere atomer skabte forskerne en defekt ved at fjerne en sektion af honeycomb, akustisk exciterede gitteret med højttalere og målte dets akustiske respons med en mikrofon. De tilstande, der er bundet til kernen af ​​disklineringen, er fastgjort til nul frekvens, hvilket Jing kaldte en "privilegeret frekvens", der garanterer maksimal indeslutning af den bundne tilstand. Frekvensen betragtes som privilegeret, fordi den minimerer muligheden for, at forstyrrelser ødelægger den stat, der er bundet til den.

"Vi sætter os for at forstå, om topologiske defekter, såsom disklinationer, kan skabes for at fange meget begrænsede akustiske tilstande, der er beskyttet mod forstyrrelse," sagde Benalcazar. "Vores kerneindsigt var, at hvis vi betragter disklinationens punktgruppesymmetri, forhindres et par disklinationstilstande i at parre sig væk fra nulfrekvensen. Denne beskyttelsesmekanisme er et resultat af samspillet mellem den symmetribeskyttede topologiske fase af det krystallinske gitter og den topologiske ladning og symmetri af disklinationen."

Dette er det første arbejde, der eksperimentelt validerer, at sådanne beskyttede tilstande eksisterer i disklineringskernen, sagde Jing. Den akustiske gitterplatformstilgang giver et nyt værktøj for forskere til at skabe en række defekter og deres potentiale, ifølge forskerne, der sagde, at både teorien og platformen potentielt kunne anvendes ud over akustik til at teste og bygge kontrollerede applikationer med elektromagnetiske bølger eller kvantesystemer i det kondenserede stofs fysik. + Udforsk yderligere

Kvasi-symmetri i CoSi afslører ny type topologisk materiale