Det internationella forskarteamet använde denna akustiska gittermodell för att undersöka hur avsiktliga defekter kunde skydda systemets symmetri. Kredit:Guancong Ma/Hong Kong Baptist University
Ett internationellt forskningssamarbete har upptäckt hur man kan utnyttja vissa defekter för att skydda instängd energi i akustiksystem. Deras experimentella tillvägagångssätt ger en mångsidig plattform för att skapa defekter som du vill för ytterligare teoretisk validering och för att förbättra kontrollen av vågor i andra system, såsom ljus, enligt huvudforskaren Yun Jing, docent i akustik och biomedicinsk teknik vid Penn State.
Teamet publicerade sina resultat i Physical Review Letters , flaggskeppspublikationen av American Physical Society. Forskningen valdes ut som "Redaktörernas förslag" och presenterades också i en kommentarsartikel av APS.
Arbetet relaterar till fononer, och potentiellt deras optiska motsvarighet, fotoner, som kan navigera i specifika gränser i så kallade topologiska gitter utan spridning. Sådana gitter upptäcktes först i kondenserad materia, där material består av atomer som upprepas i exakta mönster, hålls samman genom kraften från deras kopplingar - eller hur de är bundna till varandra på ett sådant sätt att en förändring i en partner kan påverka Övrig. Enligt Jing är dessa material kända för att vara värd för topologiskt skyddade tillstånd, som förblir oförändrade även om systemet innehåller vissa brister.
Att flytta dessa önskade tillstånd bortom deras restriktiva gränser till huvuddelen av materialet kan leda till nya tillämpningar inom avkänning, sa Jing. Men för vissa stater kräver en sådan rörelse att man introducerar nya defekter som ofta bryter systemets kirala symmetri - en nyckelegenskap som tillåter maximal instängning av tillstånden bundna till den introducerade defekten. Detta innebär att statens energi är så isolerad som möjligt från lägen som kan minska eller störa den.
"Chiral symmetri innebär förekomsten av symmetriskt spektrum:alla lägen i systemet kommer antingen i par, med frekvenser på samma avstånd från noll frekvens, eller så har de inte en partner och sitter exakt på noll frekvens," sa Jing och noterade att det andra fallet är ytterst sällsynt och förekommer endast i speciella konfigurationer av topologiska defekter specifikt i topologiska gitter, inklusive en som kallas en disklination. "Det är dock avgörande att topologiska defekter - som är nödvändiga för att bädda in det önskade tillståndet inom huvuddelen av gittret - ofta stör kiral symmetri, vilket motverkar syftet med att ha en topologisk struktur till att börja med."
Forskarna kunde ha gjort disklinationer som lydde kiral symmetri, men de föll i den första symmetriska spektrumkategorin av jämnt parade tillstånd som ligger jämnt bort från nollfrekvensen. Medförfattaren Wladimir A. Benalcazar, som var en Eberly postdoktor vid Penn State Department of Physics vid tidpunkten för forskningen och nu är Moore postdoktor vid Princeton University, teoretiserade att eftersom disklinationstillstånd är bundna till defektens kärna, kanske kan symmetrin i själva disklineringen anses förhindra att tillstånden vid nollfrekvens separerar.
För att testa detta designade forskarna ett akustiskt bikakegaller som en analog till ett kristallgitter. Enligt Jing är det mycket lättare att konstruera och manipulera defekter i ett akustiskt system än i kristallina material. Med hjälp av cylindriska kaviteter för att representera atomer skapade forskarna en defekt genom att ta bort en sektion av bikaka, exciterade gittret med högtalare akustiskt och mätte dess akustiska respons med en mikrofon. De tillstånd som är bundna till kärnan av disklineringen är fästa vid noll frekvens, vilket Jing kallade en "privilegierad frekvens" som garanterar maximal inneslutning av det bundna tillståndet. Frekvensen anses vara privilegierad eftersom den minimerar risken för störningar som förstör staten som är bunden till den.
"Vi sätter igång att förstå om topologiska defekter, såsom disklinationer, kan skapas för att fånga mycket begränsade akustiska lägen som är skyddade från störningar," sa Benalcazar. "Vår kärna insikt var att, om vi betraktar disklinationens punktgruppssymmetri, förhindras ett par disklinationslägen från att paras ihop från nollfrekvensen. Denna skyddsmekanism är ett resultat av samspelet mellan den symmetriskyddade topologiska fasen av det kristallina gittret och den topologiska laddningen och symmetrin hos disklineringen."
Detta är det första arbetet som experimentellt validerar att sådana skyddade tillstånd finns i disklineringskärnan, sa Jing. Den akustiska gitterplattformens tillvägagångssätt ger ett nytt verktyg för forskare att skapa en mängd olika defekter och deras potential, enligt forskarna, som sa att både teorin och plattformen potentiellt skulle kunna tillämpas bortom akustik för att testa och bygga kontrollerade applikationer med elektromagnetiska vågor eller kvantsystem i den kondenserade materiens fysik. + Utforska vidare
