Wetenschap
Nieuw topologisch metamateriaal versterkt geluidsgolven exponentieel
Onderzoekers van AMOLF hebben, in samenwerking met partners uit Duitsland, Zwitserland en Oostenrijk, een nieuw type metamateriaal gerealiseerd waar geluidsgolven op een ongekende manier doorheen stromen. Het biedt een nieuwe vorm van versterking van mechanische trillingen, die het potentieel heeft om sensortechnologie en informatieverwerkingsapparatuur te verbeteren.
Dit metamateriaal is het eerste exemplaar van een zogenaamde 'bosonische Kitaev-keten', die zijn bijzondere eigenschappen ontleent aan zijn aard als topologisch materiaal. Dit werd gerealiseerd door nanomechanische resonatoren te laten interageren met laserlicht door middel van stralingsdrukkrachten.
De ontdekking, gepubliceerd in het tijdschrift Nature , werd bereikt in een internationale samenwerking tussen AMOLF, het Max Planck Instituut voor de Wetenschap van het Licht, de Universiteit van Bazel, ETH Zürich en de Universiteit van Wenen.
De "Kitaev-keten" is een theoretisch model dat de fysica van elektronen in een supergeleidend materiaal beschrijft, met name een nanodraad. Het model staat bekend om het voorspellen van het bestaan van speciale excitaties aan de uiteinden van zo’n nanodraad:Majorana zero modes. Deze hebben grote belangstelling gekregen vanwege hun mogelijke gebruik in kwantumcomputers.
AMOLF-groepsleider Ewold Verhagen zei:“We waren geïnteresseerd in een model dat er wiskundig identiek uitziet, maar golven zoals licht of geluid beschrijft, in plaats van elektronen. Omdat dergelijke golven bestaan uit bosonen (fotonen of fononen) in plaats van fermionen (elektronen), Het gedrag zal naar verwachting heel anders zijn. Desalniettemin werd in 2018 voorspeld dat een bosonische Kitaev-keten fascinerend gedrag vertoont dat van geen enkel natuurlijk materiaal bekend is, en ook van geen enkel metamateriaal waren tot nu toe geïnteresseerd, experimentele realisatie bleef ongrijpbaar. "
Optische veren
De bosonische Kitaev-keten is in wezen een keten van gekoppelde resonatoren. Het is een metamateriaal, dat wil zeggen een synthetisch materiaal met technische eigenschappen:de resonatoren kunnen worden gezien als de ‘atomen’ van een materiaal, en de manier waarop ze aan elkaar zijn gekoppeld bepaalt het collectieve gedrag van het metamateriaal; in dit geval de voortplanting van geluidsgolven langs de keten.
"De koppelingen (de schakels van de bosonische Kitaev-keten) moeten speciaal zijn en kunnen bijvoorbeeld niet met gewone veren worden gemaakt", zegt de eerste auteur van de Nature papier Jesse Slim.
"We realiseerden ons dat we experimenteel de vereiste verbindingen konden creëren tussen nanomechanische resonatoren - kleine trillende siliciumsnaren op een chip - door ze te koppelen met behulp van krachten uitgeoefend door licht, waardoor 'optische' veren ontstonden. Het zorgvuldig variëren van de intensiteit van een laser over De tijd maakte het vervolgens mogelijk om vijf resonatoren met elkaar te verbinden en de bosonische Kitaev-keten te implementeren."
Exponentiële versterking
Het resultaat was opvallend. “De optische koppeling lijkt wiskundig op de supergeleidende schakels in de fermionische Kitaev-keten”, zegt Verhagen.
"Maar ongeladen bosonen vertonen geen supergeleiding; in plaats daarvan voegt optische koppeling versterking toe aan de nanomechanische trillingen. Als resultaat worden geluidsgolven, de mechanische trillingen die zich door de array voortplanten, exponentieel versterkt van het ene uiteinde naar het andere.
"Interessant is dat in de tegenovergestelde richting de overdracht van trillingen verboden is. En nog intrigerender is dat als de golf een beetje wordt vertraagd - met een kwart van een oscillatieperiode - het gedrag volledig wordt omgekeerd:het signaal wordt naar achteren versterkt en naar voren geblokkeerd. De bosonische Kitaev-keten fungeert dus als een uniek type directionele versterker, die interessante toepassingen zou kunnen hebben voor signaalmanipulatie, met name in de kwantumtechnologie."
Topologisch metamateriaal
De interessante eigenschappen van Majorana-nulmodi in de elektronische Kitaev-keten houden verband met het feit dat het materiaal topologisch is. In topologische materialen zijn bepaalde verschijnselen steevast verbonden met de algemene wiskundige beschrijving van het materiaal. Deze verschijnselen worden vervolgens topologisch beschermd, wat betekent dat ze gegarandeerd zullen bestaan, zelfs als het materiaal last heeft van defecten en verstoringen.
Het begrip van topologische materialen werd in 2016 bekroond met de Nobelprijs voor de natuurkunde, maar dit omvatte alleen materialen die geen versterking of demping vertonen. De beschrijving van topologische fasen die wel amplificatie omvatten, is nog steeds een onderwerp van intensief onderzoek en debat.
Samen met theoriemedewerkers Clara Wanjura (Max Planck Instituut voor de Wetenschap van Licht), Matteo Brunelli (Universiteit van Bazel), Javier del Pino (ETH Zürich) en Andreas Nunnenkamp (Universiteit van Wenen) hebben de AMOLF-onderzoekers aangetoond dat de bosonische Kitaev keten is in feite een nieuwe topologische fase van de materie.
De waargenomen directionele versterking is een topologisch fenomeen dat verband houdt met deze fase van de materie, zoals de theoriemedewerkers in 2018 voorspelden.
Ze demonstreerden een unieke experimentele signatuur van de topologische aard van het metamateriaal:als de keten gesloten is, zodat deze een ‘ketting’ vormt, blijven versterkte geluidsgolven in de ring van resonatoren circuleren en bereiken ze een zeer hoge intensiteit, vergelijkbaar met hoe sterk lichtstralen worden gegenereerd in lasers.
Sensorprestaties verbeteren?
Verhagen:“Vanwege de topologische bescherming is de versterking in principe ongevoelig voor verstoringen. Maar interessant genoeg is de keten juist extra gevoelig voor één bepaald type verstoring; als de frequentie van de laatste resonator in de ketting enigszins verstoord wordt, zal de versterkte signalen langs de keten kunnen plotseling weer achteruit gaan en een tweede keer versterking ervaren. Het resultaat is dat het systeem erg gevoelig is voor zo'n kleine verstoring, die kan worden veroorzaakt door de massa van een molecuul dat aan de resonator hecht of door een qubit die op elkaar inwerkt. daarmee."
Verhagen wil de mogelijkheden onderzoeken om de gevoeligheid van nanomechanische sensoren in deze systemen te vergroten. "We hebben de eerste indicaties van de detectiemogelijkheden in onze experimenten gezien, wat erg spannend is. We moeten nu in meer detail onderzoeken hoe deze topologische sensoren werken, of de gevoeligheid wordt vergroot in de aanwezigheid van verschillende soorten geluidsbronnen, en welke interessante sensortechnologieën kunnen profiteren van deze principes. Dit is nog maar het begin van dat streven."