Nyt topologisk metamateriale forstærker lydbølger eksponentielt

Forskere ved AMOLF har i samarbejde med partnere fra Tyskland, Schweiz og Østrig realiseret en ny type metamateriale, som lydbølger strømmer igennem på en hidtil uset måde. Det giver en ny form for forstærkning af mekaniske vibrationer, som har potentialet til at forbedre sensorteknologi og informationsbehandlingsenheder.

Dette metamateriale er det første eksempel på en såkaldt "bosonisk Kitaev-kæde", som får sine særlige egenskaber fra sin natur som et topologisk materiale. Det blev realiseret ved at få nanomekaniske resonatorer til at interagere med laserlys gennem strålingstrykkræfter.

Opdagelsen, som er publiceret i tidsskriftet Nature , blev opnået i et internationalt samarbejde mellem AMOLF, Max Planck Institute for the Science of Light, University of Basel, ETH Zürich og University of Wien.

"Kitaev-kæden" er en teoretisk model, der beskriver elektronernes fysik i et superledende materiale, specifikt en nanotråd. Modellen er berømt for at forudsige eksistensen af ​​specielle excitationer i enderne af sådan en nanotråd:Majorana nul-tilstande. Disse har fået stor interesse på grund af deres mulige brug i kvantecomputere.

AMOLF-gruppeleder Ewold Verhagen sagde:"Vi var interesserede i en model, der ser matematisk identisk ud, men som beskriver bølger som lys eller lyd i stedet for elektroner. Da sådanne bølger består af bosoner (fotoner eller fononer) snarere end fermioner (elektroner), Opførsel forventes at være meget anderledes Ikke desto mindre blev det i 2018 forudsagt, at en bosonisk Kitaev-kæde udviser fascinerende adfærd, der ikke er kendt af noget naturligt materiale, eller om noget metamateriale til dato. "

Optiske fjedre

Den bosoniske Kitaev-kæde er i det væsentlige en kæde af koblede resonatorer. Det er et metamateriale, det vil sige et syntetisk materiale med konstruerede egenskaber:resonatorerne kan opfattes som et materiales "atomer", og måden, de er koblet sammen på, styrer den kollektive metamateriale adfærd; i dette tilfælde udbredelsen af ​​lydbølger langs kæden.

"Koblingerne - leddene i den bosoniske Kitaev-kæde - skal være specielle og kan for eksempel ikke laves med almindelige fjedre," siger førsteforfatter af Nature papir Jesse Slim.

"Vi indså, at vi eksperimentelt kunne skabe de nødvendige forbindelser mellem nanomekaniske resonatorer - små vibrerende siliciumstrenge på en chip - ved at koble dem ved hjælp af kræfter udøvet af lys; og dermed skabe 'optiske' fjedre. Forsigtigt at variere intensiteten af ​​en laser over tiden tillod derefter at forbinde fem resonatorer og implementere den bosoniske Kitaev-kæde."

Eksponentiel forstærkning

Resultatet var slående. "Den optiske kobling ligner matematisk de superledende led i den fermioniske Kitaev-kæde," siger Verhagen.

"Men uladede bosoner udviser ikke superledning; i stedet tilføjer optisk kobling forstærkning til de nanomekaniske vibrationer. Som et resultat bliver lydbølger, som er de mekaniske vibrationer, der udbreder sig gennem arrayet, eksponentielt forstærket fra den ene ende til den anden.

"Interessant nok er transmission af vibrationer forbudt i den modsatte retning. Og endnu mere spændende, hvis bølgen forsinkes en smule - med en kvart svingningsperiode - er adfærden fuldstændig inverteret:signalet forstærkes bagud og blokeres fremad. bosonic Kitaev-kæden fungerer således som en unik type retningsforstærker, som kunne have interessante applikationer til signalmanipulation, især inden for kvanteteknologi."

Topologisk metamateriale

De interessante egenskaber ved Majorana nul-tilstande i den elektroniske Kitaev-kæde er knyttet til det faktum, at materialet er topologisk. I topologiske materialer er visse fænomener uvægerligt forbundet med den generelle matematiske beskrivelse af materialet. Disse fænomener er så topologisk beskyttet, hvilket betyder, at de med garanti eksisterer, selvom materialet lider af defekter og forstyrrelser.

Forståelsen af ​​topologiske materialer blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2016, men denne omfattede kun materialer, der ikke har forstærkning eller dæmpning. Beskrivelsen af ​​topologiske faser, der inkluderer amplifikation, er stadig et emne for intens forskning og debat.

Sammen med teorisamarbejdspartnerne Clara Wanjura (Max Planck Institute for the Science of Light), Matteo Brunelli (University of Basel), Javier del Pino (ETH Zürich) og Andreas Nunnenkamp (University of Wien) viste AMOLF-forskerne, at den bosoniske Kitaev kæden er faktisk en ny topologisk fase af stof.

Den observerede retningsforstærkning er et topologisk fænomen forbundet med denne fase af stof, som teoriens samarbejdspartnere forudsagde i 2018.

De demonstrerede en unik eksperimentel signatur af metamaterialets topologiske natur:hvis kæden er lukket, sådan at den danner en "halskæde", bliver forstærkede lydbølger i ringen af ​​resonatorer ved med at cirkulere og når en meget høj intensitet, svarende til hvor stærk lysstråler genereres i lasere.

Forøger sensorens ydeevne?

Verhagen sagde:"På grund af topologisk beskyttelse er forstærkningen i princippet ufølsom over for forstyrrelser. Men interessant nok er kæden faktisk ekstra følsom over for en bestemt type forstyrrelse; hvis frekvensen af ​​den sidste resonator på kæden er let forstyrret, forstærkede signaler langs kæden kan pludselig rejse baglæns igen og opleve forstærkning en anden gang. Resultatet er, at systemet er meget følsomt over for en så lille forstyrrelse, som kan være forårsaget af massen af ​​et molekyle, der klæber til resonatoren eller en qubit, der interagerer. med den."

Verhagen ønsker at undersøge mulighederne for at øge følsomheden af ​​nanomekaniske sensorer i disse systemer. "Vi har set de første indikationer af sanseevnerne i vores eksperimenter, hvilket er meget spændende. Vi skal nu undersøge nærmere, hvordan disse topologiske sensorer fungerer, om følsomheden er forstærket i nærvær af forskellige typer støjkilder, og hvilke interessante sensorteknologier, der kan drage fordel af disse principper. Dette er kun begyndelsen på denne bestræbelse."

Flere oplysninger: Ewold Verhagen, Optomekanisk realisering af den bosoniske Kitaev-kæde, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07174-w. www.nature.com/articles/s41586-024-07174-w

Journaloplysninger: Natur

Leveret af AMOLF