Een internationale onderzoekssamenwerking heeft ontdekt hoe bepaalde defecten kunnen worden misbruikt om opgesloten energie in akoestische systemen te beschermen. Hun experimentele benadering biedt een veelzijdig platform om naar believen defecten te creëren voor verdere theoretische validatie en om de controle van golven in andere systemen, zoals licht, te verbeteren, volgens hoofdonderzoeker Yun Jing, universitair hoofddocent akoestiek en biomedische technologie aan Penn State.

Het team publiceerde hun resultaten in Physical Review Letters , de vlaggenschippublicatie van de American Physical Society. Het onderzoek werd geselecteerd als de "Editors' Suggestion" en werd ook vermeld in een commentaarartikel van APS.

Het werk heeft betrekking op fononen, en mogelijk hun optische equivalent, fotonen, die zonder verstrooiing door specifieke grenzen in zogenaamde topologische roosters kunnen navigeren. Dergelijke roosters werden voor het eerst ontdekt in gecondenseerde materie, waarin materialen bestaan ​​uit atomen die zich in precieze patronen herhalen, bij elkaar gehouden door de kracht van hun koppelingen - of hoe ze op zo'n manier aan elkaar zijn gebonden dat een verandering in één partner de ander. Volgens Jing is het bekend dat deze materialen topologisch beschermde toestanden herbergen, die onveranderd blijven, zelfs als het systeem bepaalde onvolkomenheden bevat.

Het verplaatsen van deze gewenste toestanden buiten hun beperkende grenzen naar het grootste deel van het materiaal zou kunnen leiden tot nieuwe toepassingen in detectie, zei Jing. Voor sommige staten vereist een dergelijke beweging echter de introductie van nieuwe defecten die vaak de chirale symmetrie van het systeem doorbreken - een belangrijke eigenschap die maximale opsluiting mogelijk maakt van de staten die aan het geïntroduceerde defect zijn gebonden. Dit betekent dat de energie van de staat zo geïsoleerd mogelijk is van modi die deze zouden kunnen verminderen of verstoren.

"Chirale symmetrie impliceert het bestaan ​​van een symmetrisch spectrum:alle modi in het systeem komen ofwel in paren, met frequenties op gelijke afstand van de nulfrequentie, of ze hebben geen partner en zitten precies op de nulfrequentie," zei Jing, en merkte op dat het tweede geval is buitengewoon zeldzaam en komt alleen voor in bepaalde configuraties van topologische defecten, specifiek in topologische roosters, waaronder een die disclinatie wordt genoemd. "Cruciaal is echter dat topologische defecten - die nodig zijn om de gewenste toestand in het grootste deel van het rooster in te bedden - vaak de chirale symmetrie verstoren, wat het doel van het hebben van een topologische structuur om mee te beginnen teniet doet."

De onderzoekers hadden disclinaties kunnen maken die gehoorzaamden aan chirale symmetrie, maar ze vielen in de eerste symmetrische spectrumcategorie van gelijk gepaarde toestanden die gelijkmatig verwijderd waren van de nulfrequentie. Co-auteur Wladimir A. Benalcazar, die ten tijde van het onderzoek een Eberly Postdoctoral Fellow was in het Penn State Department of Physics en nu een Moore Postdoctoral Fellow is aan de Princeton University, theoretiseerde dat, aangezien disclinatiestaten gebonden zijn aan de kern van het defect, misschien kan de symmetrie van de disclinatie zelf worden overwogen om te voorkomen dat de toestanden bij frequentie nul scheiden.

Om dit te testen ontwierpen de onderzoekers een akoestisch honingraatrooster als analoog aan een kristalrooster. Volgens Jing is het veel gemakkelijker om defecten in een akoestisch systeem te engineeren en te manipuleren dan in kristallijne materialen. Met behulp van cilindrische holtes om atomen weer te geven, creëerden de onderzoekers een defect door een deel van de honingraat te verwijderen, het rooster akoestisch te prikkelen met luidsprekers en de akoestische respons te meten met een microfoon. De staten die aan de kern van de disclinatie zijn gebonden, zijn vastgezet op nulfrequentie, wat Jing een "bevoorrechte frequentie" noemde die maximale opsluiting van de gebonden staat garandeert. De frequentie wordt als bevoorrecht beschouwd omdat het de mogelijkheid minimaliseert dat verstoringen de staat die eraan gebonden is vernietigen.

"We gaan onderzoeken of topologische defecten, zoals disclinaties, kunnen worden gecreëerd om zeer beperkte akoestische modi te vangen die worden beschermd tegen verstoring", zei Benalcazar. "Ons kerninzicht was dat, als we de puntgroepsymmetrie van de disclinatie beschouwen, wordt voorkomen dat een paar disclinatiemodi zich vanaf de nulfrequentie paren. Dit beschermingsmechanisme is het resultaat van het samenspel van de symmetrie-beschermde topologische fase van het kristallijne rooster en de topologische lading en symmetrie van de disclinatie."

Dit is het eerste werk dat experimenteel valideert dat dergelijke beschermde staten bestaan ​​in de kern van disclinatie, zei Jing. De akoestische roosterplatformbenadering biedt onderzoekers een nieuw hulpmiddel om een ​​verscheidenheid aan defecten en hun potentieel te creëren, volgens de onderzoekers, die zeiden dat zowel de theorie als het platform mogelijk buiten de akoestiek zouden kunnen worden toegepast om gecontroleerde toepassingen met elektromagnetische golven te testen en te bouwen of kwantumsystemen in de fysica van de gecondenseerde materie. + Verder verkennen

Quasi-symmetrie in CoSi onthult nieuw type topologisch materiaal