Vibrationer på en chip føler et magnetfelt

AMOLF-fysikere har fået mekaniske vibrationer på en chip til at opføre sig, som om de var elektriske strømme, der flyder i et magnetfelt. På grund af deres ansvar, elektroner påvirkes af magnetiske felter, som krummer deres baner. Lydbølger eller mere præcist de udbredende mekaniske vibrationer føler ikke et magnetfelt, fordi de ikke bærer afgift. Ved at belyse strenge med laserlys har forskerne fundet en måde at få mekaniske vibrationer til at hoppe fra en nanoskalastreng til en anden. Dermed, disse vibrationer opfører sig som elektroner i et magnetfelt. Dette låser op for nye måder at manipulere lydbølger og den information, de kan bære på chips. De offentliggør deres resultater i Natur nanoteknologi den 3. februar 2020.

Magnetiske felter er uundværlige til at kontrollere ladede partikler, for eksempel i elektriske motorer og partikelacceleratorer, og introducerer berømt mange unikke fænomener i materialer. De påvirker ladningens bane:en elektron, der forplanter sig langs en bane i et magnetfelt, vil ikke krydse den samme vej, hvis den sendes i den modsatte retning. Igennem dette, magnetiske felter låser op for en eksotisk kontrol af elektroner på nanoskala. "For mange applikationer ville det være nyttigt at kontrollere vibrationer eller lydbølger på lignende måde, bryde deres sædvanlige udbredelsessymmetri, siger Ewold Verhagen, der leder Photonic Forces-gruppen på AMOLF. "Imidlertid, det er udfordrende, fordi mekaniske vibrationer ikke bærer ladning, hvilket gør dem usynlige for magnetiske kræfter. "

Lys kobler strengene på en nano-guitar

Verhagen og hans gruppemedlemmer John Mathew og Javier del Pino omgik dette problem med to siliciumstrenge i nanometerskala, der hver vibrerer med forskellig frekvens. Sådanne strenge ville normalt ikke være i stand til at overtage hinandens vibrationer, men deres interaktion med laserlys gør det trick. Verhagen:"På disse meget små længdeskalaer, fotoner interagerer med nanostrengen gennem en kraft kaldet strålingstryk, som er proportional med lysintensiteten. Vibrationer i strengen kan ændre denne lysintensitet en smule. Med to strenge belyst af en laser, vibrationer i den første streng påvirker strålingstrykket, der udøves på den anden streng. Hvis frekvensen er rigtig, dette får også den anden streng til at vibrere."

Simulering af et magnetfelt

Fordi strengene, der bruges her, vibrerer ved forskellige frekvenser, det virkelige trick ligger i laserstrålen, der oplyser dem. Dette er ikke en hvilken som helst laser, men en laserstråle, hvis intensitet er omhyggeligt moduleret ved en frekvens, der nøjagtigt matcher frekvensforskellen på de to strenge. Dermed, modulationsfrekvensen tilføjet til vibrationen af ​​den første streng matcher nøjagtigt frekvensen af ​​den anden streng.

"Det betyder, at en vibration af den første streng kan overføres til den anden streng, selvom de har meget forskellige toner. Og det gør det med en lille tidsforsinkelse (fase)", siger Verhagen. "På samme måde, hvis vi 'plukker' den anden streng, dens vibrationer kan også overføres til den første streng. I det tilfælde, imidlertid, tidsforsinkelsen er negativ. Dermed, vibrationstransporten er forskellig i modsatte retninger."

Det betyder, at den symmetri, der normalt findes i udbredende mekaniske vibrationer (dvs. lyd), er blevet brudt, hvilket er det samme som hvad der sker med en elektron i et stærkt magnetfelt. Verhagen:"Faktisk simulerer vi et magnetfelt for de ladningsløse partikler - fononer - der udgør en lydbølge. Vi er de første, der har gjort dette i en opsætning på nanoskala."

Ekkofri lyd

Et 'magnetisk felt' for lyd ville i sidste ende give uendelige muligheder for resonatorer i nanoskala. "Vi forestiller os at skabe alle mulige eksotiske akustiske bølger i nanoskala kredsløb orkestreret af lys, " siger Verhagen begejstret. "Som en ensrettet rute for lyd med vibrationer, der ikke kan ekko tilbage. Eller endda en lydækvivalent for topologiske isolatorer, med et bulkmateriale, der er uigennemtrængeligt for lyd og vibrationer, der kun overføres i kanterne. Nanomekaniske resonatorer bruges mere og mere som sensorer og til at behandle signaler i mobiltelefoner. Nye måder at kontrollere dem på har således spændende udsigter til forbedret funktionalitet af sådanne enheder. Men vigtigst af alt, vores resultater er relevante for en grundlæggende forståelse af lydbølger. Opdagelsen af, hvordan elektroner opfører sig i et magnetfelt, har ført til adskillige Nobelprisvindende opdagelser, som Quantum Hall-effekten, og ligger til grund for særlige egenskaber ved grafen og Majorana partikler. Hvem ved, hvilken fascinerende lydadfærd et magnetfelt kan være med til at afsløre i den nærmeste fremtid."