I ett genombrott för fysik och teknik, forskare från Photonics Initiative vid Advanced Science Research Center vid Graduate Center, CUNY (CUNY ASRC) och från Georgia Tech har presenterat den första demonstrationen av topologisk ordning baserad på tidsmodulationer. Detta framsteg gör det möjligt för forskarna att sprida ljudvågor längs gränserna för topologiska metamaterial utan risk för att vågor rör sig bakåt eller hindras av materialdefekter.

De nya rönen, som finns i journalen Vetenskapens framsteg , kommer att bana väg för billigare, lättare enheter som använder mindre batterikraft, och som kan fungera i tuffa eller farliga miljöer. Andrea Alù, grundare av CUNY ASRC Photonics Initiative och professor i fysik vid Graduate Center, KUNIG, och postdoktoral forskarassistent Xiang Ni var författare på tidningen, tillsammans med Amir Ardabi och Michael Leamy från Georgia Tech.

Området topologi undersöker egenskaper hos ett objekt som inte påverkas av kontinuerliga deformationer. I en topologisk isolator, elektriska strömmar kan flyta längs objektets gränser, och detta flöde är motståndskraftigt mot att avbrytas av objektets ofullkomligheter. De senaste framstegen inom området för metamaterial har utökat dessa funktioner för att kontrollera spridningen av ljud och ljus enligt liknande principer.

Särskilt, Tidigare arbeten från laboratoriet vid Alù och City College i New York, fysikprofessor Alexander Khanikaev, använde geometriska asymmetrier för att skapa topologisk ordning i 3-D-tryckta akustiska metamaterial. I dessa föremål, ljudvågor visade sig vara begränsade till att färdas längs föremålets kanter och runt skarpa hörn, men med en betydande nackdel:Dessa vågor var inte helt begränsade – de kunde färdas antingen framåt eller bakåt med samma egenskaper. Denna effekt begränsade i sig den övergripande robustheten hos detta tillvägagångssätt till topologisk ordning för ljud. Vissa typer av störningar eller ofullkomligheter skulle verkligen reflektera bakåt ljudet som fortplantar sig längs objektets gränser.

Detta senaste experiment övervinner denna utmaning, visar att tidsomkastningssymmetri bryter, snarare än geometriska asymmetrier, kan också användas för att inducera topologisk ordning. Med denna metod, ljudutbredning blir verkligt enkelriktad, och starkt robust mot oordning och ofullkomligheter

"Resultatet är ett genombrott för topologisk fysik, eftersom vi har kunnat visa topologisk ordning som uppstår från tidsvariationer, vilket är annorlunda, och mer fördelaktigt, än den stora mängden arbeten om topologisk akustik baserad på geometriska asymmetrier, "Alù sa. "Tidigare tillvägagångssätt krävde i sig närvaron av en bakåtkanal genom vilken ljud kunde reflekteras, vilket i sig begränsade deras topologiska skydd. Med tidsmodulationer kan vi undertrycka utbredning bakåt och ge ett starkt topologiskt skydd."

Forskarna designade en enhet gjord av en uppsättning cirkulära piezoelektriska resonatorer arrangerade i upprepade hexagoner, som ett bikakegaller, och bunden till en tunn skiva av polymjölksyra. De kopplade sedan detta till externa kretsar, som ger en tidsmodulerad signal som bryter tids-reverseringssymmetri.

Som en bonus, deras design möjliggör programmerbarhet. Detta innebär att de kan styra vågor längs en mängd olika omkonfigurerbara banor, med minimal förlust. Ultraljudsundersökning, ekolod, och elektroniska system som använder teknologi för akustisk ytvåg kan alla dra nytta av detta framsteg, sa Alù.