AMOLF-fysiker har fått mekaniska vibrationer på ett chip att bete sig som om de vore elektriska strömmar som flyter i ett magnetfält. På grund av deras laddning, elektroner påverkas av magnetfält, som kröker deras banor. Ljudvågor eller mer exakt de mekaniska vibrationerna som utbreder sig känner inte ett magnetfält, eftersom de inte bär laddning. Genom att belysa strängar med laserljus har forskarna hittat ett sätt att få mekaniska vibrationer att hoppa från en nanoskala till en annan. Således, dessa vibrationer beter sig som elektroner i ett magnetfält. Detta låser upp nya sätt att manipulera ljudvågor och den information de kan bära på chips. De publicerar sina resultat i Naturens nanoteknik den 3 februari 2020.

Magnetiska fält är oumbärliga för att kontrollera laddade partiklar, till exempel i elmotorer och partikelacceleratorer, och introducerar berömt många unika fenomen i material. De påverkar laddningarnas bana:en elektron som fortplantar sig längs en bana i ett magnetfält kommer inte att korsa samma bana om den skickas i motsatt riktning. Genom det här, magnetiska fält låser upp en exotisk kontroll av elektroner på nanoskala. "För många applikationer skulle det vara användbart att kontrollera vibrationer eller ljudvågor på liknande sätt, bryta deras vanliga utbredningssymmetri, säger Ewold Verhagen, som leder Photonic Forces-gruppen på AMOLF. "Dock, det här är utmanande, eftersom mekaniska vibrationer inte bär laddning, vilket gör dem osynliga för magnetiska krafter. "

Ljus kopplar strängarna på en nano-gitarr

Verhagen och hans gruppmedlemmar John Mathew och Javier del Pino kringgick detta problem med två kiselsträngar i nanometerskala som var och en vibrerar med olika frekvenser. Sådana strängar skulle normalt inte kunna ta över varandras vibrationer, men deras interaktion med laserljus gör susen. Verhagen:"På dessa mycket små längdskalor, fotoner interagerar med nanosträngen genom en kraft som kallas strålningstryck, som är proportionell mot ljusintensiteten. Vibrationer i strängen kan ändra denna ljusintensitet något. Med två strängar upplysta av en laser, vibrationer i den första strängen påverkar strålningstrycket som utövas på den andra strängen. Om frekvensen är rätt, detta får den andra strängen att vibrera också."

Simulerar ett magnetfält

Eftersom strängarna som används här vibrerar vid olika frekvenser, det verkliga tricket ligger i laserstrålen som lyser upp dem. Detta är inte vilken laser som helst, men en laserstråle vars intensitet noggrant moduleras till en frekvens som exakt matchar frekvensskillnaden mellan de två strängarna. Således, moduleringsfrekvensen som läggs till vibrationen hos den första strängen matchar exakt frekvensen för den andra strängen.

"Detta betyder att en vibration av den första strängen kan överföras till den andra strängen, även om de har väldigt olika toner. Och det gör det med en liten tidsfördröjning (fas)", säger Verhagen. "På samma sätt, om vi "plockar" den andra strängen, dess vibrationer kan också överföras till den första strängen. Isåfall, dock, tidsfördröjningen är negativ. Således, vibrationstransporten är olika i motsatta riktningar."

Detta betyder att symmetrin som normalt finns i utbredning av mekaniska vibrationer (dvs ljud) har brutits, vilket är detsamma som det som händer med en elektron i ett starkt magnetfält. Verhagen:"Vi simulerar faktiskt ett magnetfält för de laddningsfria partiklarna - fononer - som utgör en ljudvåg. Vi är de första som har gjort detta i en uppsättning i nanoskala."

Ekofritt ljud

Ett "magnetfält" för ljud skulle så småningom erbjuda oändliga möjligheter för resonatorer i nanoskala. "Vi föreställer oss att skapa alla typer av exotiska akustiska vågor i nanoskala kretsar orkestrerade av ljus, ", säger Verhagen upprymt. "Som en enkelriktad väg för ljud med vibrationer som inte kan eka tillbaka. Eller till och med en ljudmotsvarighet för topologiska isolatorer, med ett bulkmaterial som är ogenomträngligt för ljud och vibrationer som bara överförs i kanterna. Nanomekaniska resonatorer används mer och mer som sensorer och för att bearbeta signaler i mobiltelefoner. Nya sätt att kontrollera dem har således spännande utsikter till förbättrad funktionalitet hos sådana enheter. Men viktigast av allt, våra resultat är relevanta för en grundläggande förståelse av ljudvågor. Upptäckten av hur elektroner beter sig i ett magnetfält har lett till flera Nobelprisvinnande upptäckter, som Quantum Hall-effekten, och ligger bakom speciella egenskaper hos grafen- och Majorana-partiklar. Vem vet vilket fascinerande ljudbeteende ett magnetfält kan hjälpa till att avslöja inom en snar framtid."