Natuurkundigen van AMOLF hebben ervoor gezorgd dat mechanische trillingen op een chip zich gedragen alsof het elektrische stromen zijn die in een magnetisch veld stromen. Vanwege hun aanklacht, elektronen worden beïnvloed door magnetische velden, die hun banen krommen. Geluidsgolven of beter gezegd de zich voortplantende mechanische trillingen voelen geen magnetisch veld, omdat ze geen lading dragen. Door snaartjes te belichten met laserlicht hebben de onderzoekers een manier gevonden om mechanische trillingen van de ene snaar op nanoschaal naar de andere te laten springen. Dus, deze trillingen gedragen zich als elektronen in een magnetisch veld. Dit ontgrendelt nieuwe manieren om geluidsgolven te manipuleren en de informatie die ze op chips kunnen dragen. Ze publiceren hun bevindingen in Natuur Nanotechnologie op 3 februari 2020.

Magnetische velden zijn onmisbaar bij het beheersen van geladen deeltjes, bijvoorbeeld in elektromotoren en deeltjesversnellers, en introduceert op beroemde wijze vele unieke fenomenen in materialen. Ze beïnvloeden het traject van ladingen:een elektron dat zich voortplant langs een pad in een magnetisch veld, zal niet hetzelfde pad doorlopen als het in de tegenovergestelde richting wordt gestuurd. Door dit, magnetische velden ontsluiten een exotische controle van elektronen op nanoschaal. "Voor veel toepassingen zou het handig zijn om trillingen of geluidsgolven op een vergelijkbare manier te regelen, het breken van hun gebruikelijke voortplantingssymmetrie, " zegt Ewold Verhagen, die de Photonic Forces-groep leidt bij AMOLF. "Echter, dit is uitdagend, omdat mechanische trillingen geen lading dragen, waardoor ze onzichtbaar zijn voor magnetische krachten. "

Licht dat de snaren koppelt op een nano-gitaar

Verhagen en zijn groepsleden John Mathew en Javier del Pino omzeilden dit probleem met twee siliconen snaren op nanometerschaal die elk op een andere frequentie trillen. Dergelijke snaren zouden normaal gesproken niet in staat zijn om elkaars trillingen over te nemen, maar hun interactie met laserlicht doet de truc. Verhagen:"Bij deze zeer kleine lengteschalen, fotonen interageren met de nanostring door een kracht genaamd stralingsdruk, die evenredig is met de lichtintensiteit. Trillingen in de snaar kunnen deze lichtintensiteit enigszins veranderen. Met twee snaren verlicht door een laser, trillingen in de eerste snaar beïnvloeden de stralingsdruk die op de tweede snaar wordt uitgeoefend. Als de frequentie goed is, hierdoor trilt ook de tweede snaar."

Een magnetisch veld simuleren

Omdat de snaren die hier worden gebruikt op verschillende frequenties trillen, de echte truc zit in de laserstraal die ze verlicht. Dit is niet zomaar een laser, maar een laserstraal waarvan de intensiteit zorgvuldig wordt gemoduleerd op een frequentie die precies overeenkomt met het frequentieverschil van de twee snaren. Dus, de modulatiefrequentie toegevoegd aan de trilling van de eerste snaar komt exact overeen met de frequentie van de tweede snaar.

"Dit betekent dat een trilling van de eerste snaar kan worden overgedragen op de tweede snaar, ook al hebben ze heel verschillende tonen. En dat met een kleine vertraging (fase)", zegt Verhagen. "Op dezelfde manier, als we de tweede snaar 'plukken', zijn trillingen kunnen ook worden overgedragen op de eerste snaar. In dat geval, echter, de vertraging is negatief. Dus, het trillingstransport is anders in tegengestelde richtingen."

Dit betekent dat de symmetrie die normaal wordt gevonden bij het voortplanten van mechanische trillingen (d.w.z. geluid) is verbroken, wat hetzelfde is als wat er gebeurt met een elektron in een sterk magnetisch veld. Verhagen:"In feite simuleren we een magnetisch veld voor de ladingloze deeltjes - fononen - waaruit een geluidsgolf bestaat. We zijn de eersten die dit in een opstelling op nanoschaal hebben gedaan."

Echovrij geluid

Een 'magnetisch veld' voor geluid zou uiteindelijk eindeloze mogelijkheden bieden voor resonatoren op nanoschaal. "We stellen ons voor dat we allerlei exotische akoestische golven creëren in circuits op nanoschaal die worden georkestreerd door licht, Zegt Verhagen opgewonden. 'Als eenrichtingsverkeer voor geluid met trillingen die niet terug kunnen echoën. Of zelfs een degelijk equivalent voor topologische isolatoren, met een stortgoed dat ondoordringbaar is voor geluid en trillingen die alleen aan de randen worden overgedragen. Nanomechanische resonatoren worden steeds vaker gebruikt als sensoren en om signalen in mobiele telefoons te verwerken. Nieuwe manieren om ze te besturen hebben dus opwindende vooruitzichten voor verbeterde functionaliteit van dergelijke apparaten. Maar het belangrijkste, onze resultaten zijn relevant voor een fundamenteel begrip van geluidsgolven. De ontdekking van hoe elektronen zich gedragen in een magnetisch veld heeft geleid tot verschillende Nobelprijswinnende ontdekkingen, zoals het Quantum Hall-effect, en ligt ten grondslag aan speciale eigenschappen van grafeen en Majorana-deeltjes. Wie weet welk fascinerend gedrag van geluid een magnetisch veld in de nabije toekomst zou kunnen onthullen."