Forskare vid AMOLF har i samarbete med partners från Tyskland, Schweiz och Österrike insett en ny typ av metamaterial genom vilket ljudvågor flödar på ett aldrig tidigare skådat sätt. Det tillhandahåller en ny form av förstärkning av mekaniska vibrationer, som har potential att förbättra sensorteknik och informationsbehandlingsenheter.
Detta metamaterial är den första instansen av en så kallad "bosonisk Kitaev-kedja", som får sina speciella egenskaper från sin natur som ett topologiskt material. Det realiserades genom att få nanomekaniska resonatorer att interagera med laserljus genom strålningstryckkrafter.
Upptäckten, som publiceras i tidskriften Nature , uppnåddes i ett internationellt samarbete mellan AMOLF, Max Planck Institute for the Science of Light, University of Basel, ETH Zürich och University of Wien.
"Kitaev-kedjan" är en teoretisk modell som beskriver elektronernas fysik i ett supraledande material, närmare bestämt en nanotråd. Modellen är känd för att förutsäga förekomsten av speciella excitationer i ändarna av en sådan nanotråd:Majorana nolllägen. Dessa har fått ett intensivt intresse på grund av deras möjliga användning i kvantdatorer.
AMOLFs gruppledare Ewold Verhagen sa:"Vi var intresserade av en modell som ser matematiskt identisk ut, men som beskriver vågor som ljus eller ljud, istället för elektroner. Eftersom sådana vågor består av bosoner (fotoner eller fononer) snarare än fermioner (elektroner) Beteendet förväntas vara väldigt annorlunda Under 2018 förutspåddes det att en bosonisk Kitaev-kedja uppvisar fascinerande beteende som inte är känt av något naturligt material, eller om något metamaterial hittills. "
Den bosoniska Kitaev-kedjan är i huvudsak en kedja av kopplade resonatorer. Det är ett metamaterial, d.v.s. ett syntetiskt material med konstruerade egenskaper:resonatorerna kan ses som "atomerna" i ett material, och sättet de kopplas ihop styr det kollektiva metamaterialets beteende; i detta fall utbredningen av ljudvågor längs kedjan.
"Kopplingarna - länkarna i den bosoniska Kitaev-kedjan - måste vara speciella och kan till exempel inte göras med vanliga fjädrar", säger första författaren till Nature papper Jesse Slim.
"Vi insåg att vi experimentellt kunde skapa de nödvändiga länkarna mellan nanomekaniska resonatorer - små vibrerande kiselsträngar på ett chip - genom att koppla dem med hjälp av krafter som utövas av ljus; på så sätt skapa "optiska" fjädrar. Variera intensiteten hos en laser försiktigt över tiden tillät sedan att länka fem resonatorer och implementera den bosoniska Kitaev-kedjan."
Resultatet var slående. "Den optiska kopplingen liknar matematiskt de supraledande länkarna i den fermioniska Kitaev-kedjan", säger Verhagen.
"Men oladdade bosoner uppvisar inte supraledning, istället lägger optisk koppling till förstärkning till de nanomekaniska vibrationerna. Som ett resultat förstärks ljudvågor, som är de mekaniska vibrationerna som fortplantar sig genom arrayen, exponentiellt från den ena änden till den andra.
"Intressant nog är överföring av vibrationer i motsatt riktning förbjuden. Och ännu mer spännande, om vågen försenas lite - med en fjärdedel av en svängningsperiod - är beteendet helt inverterat:signalen förstärks bakåt och blockeras framåt. bosonic Kitaev-kedjan fungerar alltså som en unik typ av riktningsförstärkare, som kan ha intressanta tillämpningar för signalmanipulation, särskilt inom kvantteknologi."
De intressanta egenskaperna hos Majorana nolllägen i den elektroniska Kitaev-kedjan är kopplade till det faktum att materialet är topologiskt. I topologiska material är vissa fenomen undantagslöst kopplade till den allmänna matematiska beskrivningen av materialet. Dessa fenomen är sedan topologiskt skyddade, vilket innebär att de garanterat existerar, även om materialet lider av defekter och störningar.
Förståelsen av topologiska material belönades med Nobelpriset i fysik 2016, men detta omfattade endast material som inte har förstärkning eller dämpning. Beskrivningen av topologiska faser som inkluderar amplifiering är fortfarande ett ämne för intensiv forskning och debatt.
Tillsammans med teorimedarbetarna Clara Wanjura (Max Planck Institute for the Science of Light), Matteo Brunelli (University of Basel), Javier del Pino (ETH Zürich) och Andreas Nunnenkamp (University of Wien) visade AMOLF-forskarna att den bosoniska Kitaev kedjan är i själva verket en ny topologisk fas av materia.
Den observerade riktningsförstärkningen är ett topologiskt fenomen som är associerat med denna fas av materia, som teorimedarbetarna förutspådde 2018.
De visade en unik experimentell signatur av metamaterialets topologiska natur:om kedjan är stängd, så att den bildar ett "halsband", fortsätter förstärkta ljudvågor i ringen av resonatorer att cirkulera och når en mycket hög intensitet, liknande hur stark ljusstrålar genereras i lasrar.
Verhagen sa:"På grund av topologiskt skydd är förstärkningen i princip okänslig för störningar. Men intressant nog är kedjan faktiskt extra känslig för en viss typ av störning; om frekvensen för den sista resonatorn på kedjan är något störd, förstärkta signaler längs kedjan kan plötsligt färdas bakåt igen och uppleva förstärkning en andra gång. Resultatet är att systemet är mycket känsligt för en så liten störning, som kan orsakas av massan av en molekyl som fäster vid resonatorn eller en qubit som interagerar. med den."
Verhagen vill undersöka möjligheterna att öka känsligheten hos nanomekaniska sensorer i dessa system. "Vi har sett de första indikationerna på avkänningsförmågan i våra experiment, vilket är väldigt spännande. Vi behöver nu undersöka mer i detalj hur dessa topologiska sensorer fungerar, om känsligheten förstärks i närvaro av olika typer av bruskällor, och vilka intressanta sensorteknologier som kan dra nytta av dessa principer. Detta är bara början på den strävan."
Mer information: Ewold Verhagen, Optomekanisk realisering av den bosoniska Kitaev-kedjan, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07174-w. www.nature.com/articles/s41586-024-07174-w
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av AMOLF
