Med hjälp av ett nätverk av vibrerande nanosträngar styrda med ljus har forskare från AMOLF fått ljudvågor att röra sig i en specifik irreversibel riktning och för första gången dämpat eller förstärkt vågorna på ett kontrollerat sätt. Detta ger upphov till en lasrande effekt för ljud. Till sin förvåning upptäckte de nya mekanismer, så kallade "geometriska faser", med vilka de kan manipulera och överföra ljud i system där det ansågs vara omöjligt. "Detta öppnar vägen för nya typer av (meta)material med egenskaper som vi ännu inte känner till från befintliga material", säger gruppledaren Ewold Verhagen som tillsammans med delade förstaförfattarna Javier del Pino och Jesse Slim publicerar de överraskande resultaten på 2 juni i Nature .

Svaret från elektroner och andra laddade partiklar på magnetfält leder till många unika fenomen i material. – Vi har länge velat veta om en effekt som liknar ett magnetfält på elektroner kan uppnås på ljud som inte har någon laddning, säger Verhagen. "Ett magnetfälts inverkan på elektroner har en bred inverkan:till exempel kan en elektron i ett magnetfält inte röra sig längs samma väg i motsatt riktning. Denna princip ligger till grund för olika exotiska fenomen på nanometerskala, t.ex. som kvant-Hall-effekten och funktionen hos topologiska isolatorer (material som leder ström perfekt vid sina kanter och inte i sin bulk). För många tillämpningar skulle det vara användbart om vi kunde uppnå samma sak för vibrationer och ljudvågor och därför bryta symmetri av deras utbredning, så det är inte tidsomvändningssymmetrisk längre."

Magnetiskt fält för ljud

Till skillnad från elektroner har mekaniska vibrationer ingen laddning, och därför reagerar de inte på magnetfält. De är dock känsliga för ljusets strålningstryck. Verhagens grupp använde därför laserljus för att påverka mekaniska nano-resonatorer. År 2020 använde de samma vibrerande strängar för att visa att tidsomkastningssymmetri kunde brytas för ljud som hoppar från en resonator till en annan:ljudöverföring från en sträng till en annan är annorlunda än i motsatt riktning. Se även nyheten den 3 februari 2020. "Vi har nu visat att om vi skapar ett nätverk av flera vibrerande nanosträngar kan vi realisera en rad okonventionella vibrationsmönster genom att belysa strängarna med laserljus", säger Verhagen. "Vi lyckades till exempel få ljudpartiklar (fononer) att röra sig i en enda riktning på samma sätt som elektroner i kvanthalleffekten."

Förstärkning

Forskarna insåg att de också kunde använda strålningstrycket för att kontrollera förstärkningen och dämpningen av ljudet. "Det fungerar på samma sätt som ett barn på en gunga som sträcker ut eller drar tillbaka sina ben i rätt ögonblick", förklarar Verhagen. "En sådan förstärkning eller dämpning är inte möjlig för elektroner i ett magnetfält."

Forskarna var de första som genomförde experiment där det drivande ljuset förstärker ljudvågorna samtidigt som de säkerställer att dessa upplever en effekt som liknar ett magnetfält. "Vi upptäckte att kombinationen av förstärkning och att bryta tidsreverseringssymmetrin leder till en rad nya och oväntade fysiska effekter", säger Verhagen. "Först och främst bestämmer laserljus i vilken riktning ljudet förstärks. I andra riktningen blockeras ljudet. Detta orsakas av en geometrisk fas:en storhet som anger i vilken utsträckning ljudvågen förskjuts när den passerar genom nätverket av nanosträngar, som i det här fallet orsakas av strålningstrycket. Vårt experiment gjorde det möjligt för oss att helt kontrollera och ändra den geometriska fasen. Dessutom använde vi strålningstrycket från laserljuset för att förstärka ljudet. Det ljudet kan till och med spontant börja svänga, som ljus i en laser. Vi upptäckte att den geometriska fasen vi tillämpar avgör om det händer eller inte, och med vilken förstärkningsstyrka."

Nytt material

Forskarna upptäckte att nya geometriska faser kunde realiseras i system där det inte ansågs vara möjligt. I alla dessa påverkar faserna ljudvågornas förstärkning, riktning och tonhöjd. "Geometriska faser är viktiga inom många grenar av fysiken, och beskriver beteendet hos olika system och material. När de kombineras med magnetfält kan de leda till en topologisk isolator för elektroner, men vilka egenskaper en "ljud"-variant baserad på de upptäckta principerna skulle kunna ha är något vi fortfarande behöver lära oss, men vi vet att detta inte kommer att likna något vi känner till, säger Verhagen. "Vi skulle kunna undersöka effekterna ytterligare genom att länka samman fler nanosträngar i akustiska "metamaterial" som vi kontrollerar med ljus. Men de effekter som vi har observerat bör gälla en rad vågor utan laddning, inklusive ljus, mikrovågor, kalla atomer, etc. cetera. Vi förväntar oss att med de nya mekanismer vi har upptäckt kommer det att vara möjligt att producera nya (meta)material med egenskaper som vi ännu inte känner till från befintliga material."

Sådana material och system har ovanliga egenskaper som kan ha användbara tillämpningar. Verhagen:"Det är ännu för tidigt att ge en fullständig översikt över möjligheterna. Men vi kan redan känna igen några potentiella riktningar. Till exempel kan en enkelriktad förstärkare för vågor ha användbara tillämpningar inom kvantkommunikation. Vi skulle också kunna göra sensorer mycket mer känslig genom att bryta tidsomkastningssymmetrin." + Utforska vidare

Vibrationer på ett chip känner av ett magnetfält