新型拓扑超材料以指数方式放大声波
AMOLF 的研究人员与来自德国、瑞士和奥地利的合作伙伴合作，实现了一种新型超材料，声波以前所未有的方式在其中流动。它提供了一种新颖的机械振动放大形式，有可能改进传感器技术和信息处理设备。这种超材料是所谓“玻色基塔耶夫链”的第一个实例，它的特殊性质源自其拓扑材料的性质。它是通过使纳米机械谐振器通过辐射压力与激光相互作用来实现的。这一发现于 3 月 27 日发表在著名科学杂志《自然》上，是 AMOLF、马克斯·普朗克光科学研究所、巴塞尔大学、苏黎世联邦理工学院和维也纳大学之间的国际合作成果。
“基塔耶夫链”是一个理论模型，描述超导材料(特别是纳米线)中电子的物理现象。该模型因预测纳米线末端特殊激发的存在而闻名：马约拉纳零模式。由于它们可能在量子计算机中使用，它们引起了人们的浓厚兴趣。 AMOLF 小组负责人 Ewold Verhagen 表示：“我们对一个在数学上看起来相同的模型感兴趣，但它描述的是光或声音等波，而不是电子。由于此类波由玻色子(光子或声子)而不是费米子(电子)组成，因此它们的行为预计会非常不同。尽管如此，2018 年有人预测，玻色基塔耶夫链表现出令人着迷的行为，这是迄今为止任何天然材料或任何超材料所不知道的。尽管许多科学家对此很感兴趣，但实验的实现仍然难以实现。”
光学弹簧 玻
色基塔耶夫链本质上是一个耦合谐振器链。它是一种超材料，即具有工程特性的合成材料：谐振器可以被视为材料的“原子”，它们耦合在一起的方式控制着集体超材料行为;在这种情况下，声波沿着链条传播。 “例如，耦合器——玻色基塔耶夫链的链节——必须是特殊的，不能用普通弹簧制成，”《自然》论文的第一作者杰西·斯利姆(Jesse Slim)说，他去年以优异的成绩毕业。 “我们意识到，我们可以通过实验在纳米机械谐振器(芯片上的小型振动硅弦)之间建立所需的链接，方法是借助光施加的力将它们耦合起来;从而创造出“光学”弹簧。随着时间的推移仔细改变激光的强度，然后允许连接五个谐振器并实现玻色基塔耶夫链。”
指数放大
结果是惊人的。 “光学耦合在数学上类似于费米基塔耶夫链中的超导链路，”Verhagen 说。 “但不带电的玻色子不表现出超导性;相反，光学耦合会放大纳米机械振动。结果，声波(即通过阵列传播的机械振动)从一端到另一端呈指数放大。有趣的是，振动在相反方向上的传递是被禁止的。更有趣的是，如果波延迟一点(四分之一振荡周期)，则行为会完全相反：信号向后放大并向前阻塞。因此，玻色基塔耶夫链就像一种独特类型的定向放大器，它可能在信号操纵方面有有趣的应用，特别是在量子技术中。”
拓扑超材料
电子基塔耶夫链中马约拉纳零模的有趣特性与该材料的拓扑性这一事实有关。在拓扑材料中，某些现象总是与材料的一般数学描述相关。然后，这些现象受到拓扑保护，这意味着即使材料存在缺陷和扰动，它们也保证存在。对拓扑材料的理解荣获 2016 年诺贝尔物理学奖，但这仅涵盖不具有放大或阻尼功能的材料。对包含放大的拓扑相的描述仍然是激烈研究和争论的话题。 AMOLF 研究人员与理论合作者 Clara Wanjura(马克斯·普朗克光科学研究所)、Matteo Brunelli(巴塞尔大学)、Javier del Pino(苏黎世联邦理工学院)和 Andreas Nunnenkamp(维也纳大学)一起证明了玻色子 Kitaev链实际上是物质的一个新的拓扑相。正如理论合作者在 2018 年预测的那样，观察到的定向放大是与物质的这一相相关的拓扑现象。他们展示了超材料拓扑性质的独特实验特征：如果链闭合，则它会形成一条“项链” '，放大的声波在谐振器环中不断循环并达到非常高的强度，类似于激光中产生的强光束。
提高传感器性能?
Verhagen：“由于拓扑保护，放大原则上对干扰不敏感。但有趣的是，链条实际上对一种特定类型的干扰特别敏感。如果链上最后一个谐振器的频率受到轻微扰动，则沿着链的放大信号可能会突然再次向后传播，经历第二次放大。结果是系统对如此小的扰动非常敏感，这可能是由粘附在谐振器上的分子质量或与其相互作用的量子位引起的。”
Verhagen 希望通过最近获得的 ERC Consolidator Grant 来研究增强这些系统中纳米机械传感器灵敏度的可能性。 “我们在实验中首次看到了传感能力的迹象，这非常令人兴奋。我们现在需要更详细地研究这些拓扑传感器的工作原理，在存在各种类型的噪声源的情况下是否会提高灵敏度，以及哪些有趣的传感器技术可以从这些原理中受益。这只是这一努力的开始。”
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