Исследователи из AMOLF в сотрудничестве с партнёрами из Германии, Швейцарии и Австрии создали новый тип метаматериала, через который звуковые волны проходят необычным образом. Его способность усиливать механические колебания 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. Его удалось реализовать, заставив наномеханические резонаторы взаимодействовать с лазерным излучением посредством сил давления излучения.
Открытие, опубликованное 27 марта в журнале Nature, было сделано в рамках международного сотрудничества между AMOLF, Институтом Макса Планка по науке о свете, Базельским университетом, ETH Zurich и Венским университетом.
«Цепочка Китаева» — это теоретическая модель, описывающая физику электронов в сверхпроводящем материале, в частности в нанопроволоке. Модель знаменита тем, что предсказывает существование особых возбуждений на концах такой нанопроволоки: нулевых мод Майораны. Они вызвали повышенный интерес из-за возможности их использования в квантовых компьютерах. В 2018 году было предсказано, что бозонная цепочка Китаева продемонстрирует удивительное поведение, которое не известно ни для одного природного материала, ни для одного метаматериала на сегодняшний день. Хотя многие учёные были заинтересованы, экспериментальная реализация оставалась труднодостижимой.
Бозонная цепочка Китаева — это, по сути, цепочка связанных резонаторов. Это метаматериал, то есть синтетический материал с особыми свойствами: резонаторы можно представить как «атомы» материала, и то, как они соединены друг с другом, управляет коллективным поведением метаматериала, в данном случае распространением звуковых волн вдоль цепи. «Соединения — звенья бозонической цепи Китаева — должны быть особенными, их нельзя сделать, например, с помощью обычных пружин», — говорит первый автор статьи в Nature Джесси Слим. «Мы поняли, что можем экспериментально создать необходимые связи между наномеханическими резонаторами — маленькими вибрирующими кремниевыми струнами на чипе — соединив их с помощью сил, создаваемых светом, и таким образом создать «оптические» пружины. Тщательно изменяя интенсивность лазера во времени, можно соединить пять резонаторов и реализовать бозонную цепочку Китаева».
Результат оказался поразительным. «Оптическая связь математически напоминает сверхпроводящие звенья фермионной цепи Китаева», — говорит Верхаген. «Но незаряжённые бозоны не обладают сверхпроводимостью; вместо этого оптическая связь усиливает наномеханические колебания. В результате звуковые волны, которые являются механическими колебаниями, распространяющимися через массив, экспоненциально усиливаются от одного конца образца к другому. Интересно, что в обратном направлении передача колебаний не происходит. И что ещё более интригующе, если немного задержать волну — на четверть периода колебаний — поведение полностью меняется: сигнал усиливается в обратном направлении и блокируется в прямом. Таким образом, бозонная цепочка Китаева действует как уникальный тип направленного усилителя, который может найти интересное применение для манипулирования сигналами, в частности, в квантовых технологиях».
Источник: habr.com
Похожие новости:
Как продвигать стартап или новый продукт в условиях ограниченного бюджета?
Учёные показали влияние примесей в термоэлектрические материалы на их механические свойства
Смартфон среднего класса с самым долгим временем работы от аккумулятора в 2024 г.
Когда младший лучше старшего. Тест-драйв кроссовера Jetour X70 Plus