In een doorbraak voor natuurkunde en techniek, onderzoekers van het Photonics Initiative van het Advanced Science Research Center van The Graduate Center, CUNY (CUNY ASRC) en van Georgia Tech hebben de eerste demonstratie van topologische orde op basis van tijdmodulaties gepresenteerd. Deze vooruitgang stelt de onderzoekers in staat om geluidsgolven langs de grenzen van topologische metamaterialen te verspreiden zonder het risico te lopen dat golven achteruit reizen of worden gedwarsboomd door materiaaldefecten.

De nieuwe bevindingen, die in het journaal verschijnen wetenschappelijke vooruitgang , zal de weg vrijmaken voor goedkopere, lichtere apparaten die minder batterijvermogen gebruiken, en die kunnen functioneren in ruwe of gevaarlijke omgevingen. Andrea Ali, oprichter en directeur van het CUNY ASRC Photonics Initiative en hoogleraar natuurkunde aan het Graduate Center, CUNY, en postdoctoraal onderzoeksmedewerker Xiang Ni waren auteurs op het papier, samen met Amir Ardabi en Michael Leamy van Georgia Tech.

Het gebied van topologie onderzoekt eigenschappen van een object die niet worden beïnvloed door continue vervormingen. In een topologische isolator, elektrische stromen kunnen langs de grenzen van het object stromen, en deze stroom kan niet worden onderbroken door de onvolkomenheden van het object. Recente vooruitgang op het gebied van metamaterialen heeft deze functies uitgebreid om de verspreiding van geluid en licht volgens vergelijkbare principes te beheersen.

Vooral, eerder werk van de laboratoria van Alù en City College of New York Physics Professor Alexander Khanikaev gebruikte geometrische asymmetrieën om topologische orde te creëren in 3D-geprinte akoestische metamaterialen. Bij deze objecten geluidsgolven bleken beperkt te zijn om langs de randen van het object en rond scherpe hoeken te reizen, maar met een belangrijk nadeel:deze golven waren niet volledig beperkt - ze konden met dezelfde eigenschappen vooruit of achteruit reizen. Dit effect beperkte inherent de algehele robuustheid van deze benadering tot topologische orde voor geluid. Bepaalde soorten wanorde of onvolkomenheden zouden inderdaad het geluid dat zich langs de grenzen van het object voortplant, terugkaatsen.

Dit laatste experiment overwint deze uitdaging, waaruit blijkt dat tijd-omkering symmetrie breken, in plaats van geometrische asymmetrieën, kan ook worden gebruikt om topologische orde te induceren. Met behulp van deze methode, geluidsvoortplanting wordt echt unidirectioneel, en sterk bestand tegen wanorde en onvolkomenheden

"Het resultaat is een doorbraak voor topologische fysica, omdat we de topologische volgorde hebben kunnen laten zien die voortkomt uit tijdvariaties, wat anders is, en voordeliger, dan het grote oeuvre over topologische akoestiek gebaseerd op geometrische asymmetrieën, "Alù zei. "Voorgaande benaderingen vereisten inherent de aanwezigheid van een achterwaarts kanaal waardoor geluid kon worden gereflecteerd, die inherent hun topologische bescherming beperkten. Met tijdmodulaties kunnen we achterwaartse voortplanting onderdrukken en sterke topologische bescherming bieden."

De onderzoekers ontwierpen een apparaat gemaakt van een reeks cirkelvormige piëzo-elektrische resonatoren gerangschikt in herhalende zeshoeken, als een honingraatrooster, en gebonden aan een dunne schijf van polymelkzuur. Ze hebben dit vervolgens aangesloten op externe circuits, die een tijdgemoduleerd signaal leveren dat de tijdomkeringssymmetrie doorbreekt.

Als bonus, hun ontwerp zorgt voor programmeerbaarheid. Dit betekent dat ze golven langs verschillende herconfigureerbare paden kunnen leiden, met minimaal verlies. Echografie beeldvorming, sonar, en elektronische systemen die akoestische oppervlaktegolftechnologie gebruiken, kunnen allemaal profiteren van deze vooruitgang, zei Ali.