Зарегистрируйтесь бесплатно, чтобы прослушать эту статью
Спасибо. Прослушайте эту статью, используя плеер выше. ✖
Исследователи из AMOLF в сотрудничестве с партнерами из Германии, Швейцарии и Австрии создали новый тип метаматериала, через который беспрецедентным образом текут звуковые волны. Он обеспечивает новую форму усиления механических вибраций, которая потенциально может улучшить сенсорные технологии и устройства обработки информации. Этот метаматериал является первым примером так называемой «бозонной цепочки Китаева», которая приобретает свои особые свойства благодаря своей природе топологического материала. Это было реализовано путем взаимодействия наномеханических резонаторов с лазерным светом посредством сил давления излучения. Открытие, опубликованное 27 марта в известном научном журнале Nature, было достигнуто в результате международного сотрудничества между AMOLF, Институтом науки о свете Макса Планка, Базельским университетом, ETH Zurich и Венским университетом.
«Цепочка Китаева» — это теоретическая модель, описывающая физику электронов в сверхпроводящем материале, в частности в нанопроволоке. Модель известна тем, что предсказывает существование особых возбуждений на концах такой нанопроволоки: нулевых мод Майорана. Они вызвали большой интерес из-за их возможного использования в квантовых компьютерах. Руководитель группы AMOLF Эвольд Верхаген: «Нас интересовала модель, которая выглядит математически идентично, но описывает волны, подобные свету или звуку, а не электроны. Поскольку такие волны состоят из бозонов (фотонов или фононов), а не фермионов (электронов), ожидается, что их поведение будет совсем другим. Тем не менее, в 2018 году было предсказано, что бозонная цепочка Китаева демонстрирует удивительное поведение, неизвестное ни одному природному материалу или метаматериалу на сегодняшний день. Хотя многие ученые были заинтересованы, экспериментальная реализация оставалась недостижимой».
Хотите больше последних новостей?
Подпишитесь на ежедневный информационный бюллетень Technology Networks, чтобы каждый день доставлять последние научные новости прямо на ваш почтовый ящик.
Подпишитесь БЕСПЛАТНО
Оптические пружины
Бозонная цепочка Китаева по сути представляет собой цепочку связанных резонаторов. Это метаматериал, то есть синтетический материал с инженерными свойствами: резонаторы можно рассматривать как «атомы» материала, и то, как они соединяются друг с другом, контролирует коллективное поведение метаматериала; в данном случае происходит распространение звуковых волн вдоль цепи. «Соединения – звенья бозонной цепи Китаева – должны быть особенными и не могут быть изготовлены, например, с использованием обычных пружин», – говорит первый автор статьи в журнале Nature Джесси Слим, получивший диплом с отличием в прошлом году. «Мы поняли, что можем экспериментально создать необходимые связи между наномеханическими резонаторами — небольшими вибрирующими кремниевыми струнами на чипе — соединяя их с помощью сил, действующих на свет; создавая таким образом «оптические» пружины. Тщательное изменение интенсивности лазера во времени позволило соединить пять резонаторов и реализовать бозонную цепочку Китаева».
Экспоненциальное усиление
Результат был поразительным. «Оптическая связь математически напоминает сверхпроводящие звенья фермионной цепочки Китаева», — говорит Верхаген. «Но незаряженные бозоны не обладают сверхпроводимостью; вместо этого оптическая связь усиливает наномеханические вибрации. В результате звуковые волны, представляющие собой механические колебания, распространяющиеся через массив, экспоненциально усиливаются от одного конца к другому. Интересно, что в обратную сторону передача вибраций запрещена. И что еще более интригующе, если волна задерживается немного – на четверть периода колебаний – поведение полностью инвертируется: сигнал усиливается назад и блокируется вперед. Таким образом, бозонная цепочка Китаева действует как уникальный тип направленного усилителя, который может найти интересные применения для манипулирования сигналами, в частности, в квантовых технологиях».
Топологический метаматериал
Интересные свойства нулевых мод Майорана в электронной цепочке Китаева связаны с топологичностью материала. В топологических материалах определенные явления неизменно связаны с общим математическим описанием материала. Эти явления тогда топологически защищены, а это означает, что они гарантированно существуют, даже если материал страдает от дефектов и возмущений. За понимание топологических материалов была присуждена Нобелевская премия по физике в 2016 году, но она охватывала только материалы, не обладающие усилением или затуханием. Описание топологических фаз, включающих усиление, до сих пор остается темой интенсивных исследований и дискуссий. Вместе с соавторами теории Кларой Ванджура (Институт Макса Планка по науке о свете), Маттео Брунелли (Базельский университет), Хавьером дель Пино (ETH Цюрих) и Андреасом Нунненкампом (Венский университет) исследователи AMOLF показали, что бозонный Китаев Цепь на самом деле представляет собой новую топологическую фазу материи. Наблюдаемое направленное усиление — это топологическое явление, связанное с этой фазой материи, как и предсказали сотрудники теории в 2020 году. Они продемонстрировали уникальную экспериментальную подпись топологической природы метаматериала: если цепочка замкнута, так что она образует «ожерелье» ‘, усиленные звуковые волны в кольце резонаторов продолжают циркулировать и достигают очень высокой интенсивности, подобно тому, как сильные световые лучи генерируются в лазерах.
Повышение производительности сенсора?
Верхаген: «Из-за топологической защиты усиление в принципе нечувствительно к помехам. Но что интересно, на самом деле цепь особенно чувствительна к одному конкретному типу возмущений; если частота последнего резонатора в цепочке слегка нарушена, усиленные сигналы по цепочке могут внезапно снова переместиться назад, испытывая усиление во второй раз. В результате система очень чувствительна к такому небольшому возмущению, которое может быть вызвано массой молекулы, прилипшей к резонатору, или взаимодействующим с ним кубитом».
С помощью гранта ERC Consolidator, который он недавно получил, Верхаген хочет изучить возможности повышения чувствительности наномеханических датчиков в этих системах. «В наших экспериментах мы увидели первые признаки сенсорных способностей, и это очень интересно. Теперь нам необходимо более подробно изучить, как работают эти топологические датчики, повышается ли чувствительность при наличии различных типов источников шума и какие интересные сенсорные технологии могут извлечь выгоду из этих принципов. Это только начало этих усилий».
Ссылка: Слим Дж.Дж., Ванджура CC, Брунелли М., Дель Пино Дж., Нунненкамп А., Верхаген Э. Оптомеханическая реализация бозонной цепочки Китаева. Природа. 2024;627(8005):767–771. doi: 10.1038/s41586-024-07174-w
Статья переиздана по следующим материалам. Примечание: материал мог быть отредактирован по объему и содержанию. Для получения дополнительной информации обращайтесь к указанному источнику.
2024-03-28 09:58:29
1711620333
#Новый #топологический #метаматериал #экспоненциально #усиливает #звуковые #волны
