Bahan topologi baru secara dramatis memperkuat gelombang suara

Untuk mencapai hal ini, tim peneliti membuat resonator nanomekanis berinteraksi dengan sinar laser menggunakan gaya tekanan radiasi. Penemuan yang dipublikasikan di jurnal Nature ini merupakan hasil kolaborasi internasional antara AMOLF, Max Planck Institute for the Physics of Light di Erlangen, University of Basel, ETH Zurich, dan University of Vienna.

“Seri Kitaev” adalah model teoritis yang menggambarkan fisika elektron dalam bahan superkonduktor, khususnya kawat nano. Model ini sangat penting karena memprediksi keadaan tereksitasi khusus di ujung kawat nano: mode nol Majorana. Mereka sangat menarik karena potensi penggunaannya dalam komputer kuantum. Pemimpin kelompok AMOLF Ewald Verhagen: “Kami tertarik pada model dengan struktur matematika yang identik, tetapi menggambarkan gelombang seperti cahaya atau suara dan bukan elektron. Karena gelombang ini terbuat dari boson (foton atau fonon) dan bukan fermion (elektron) , diasumsikan bahwa mereka akan berperilaku berbeda Tepatnya. Pada awal tahun 2018, ada anggapan bahwa “string Bossian Kitaev” akan menunjukkan perilaku luar biasa yang belum diketahui dari materi alam atau metamaterial apa pun. Banyak peneliti yang sangat tertarik untuk menunjukkan hal ini , namun implementasi eksperimental tampaknya sulit dilakukan.

Bulu visual

“Seri bosonik Kitaev” pada dasarnya adalah serangkaian resonator yang digabungkan. Ini adalah metamaterial, yaitu bahan sintetis dengan sifat buatan. Resonator mewakili “atom” materi, dan cara mereka digabungkan mengontrol perilaku kolektif metamatter – dalam hal ini, perambatan gelombang suara di sepanjang string. “Kopling – rantai bosonik Kitaev – harus memenuhi persyaratan khusus dan tidak dapat diproduksi menggunakan pegas konvensional,” kata penulis utama Jesse Slim. “Kami menyadari bahwa kami dapat membangun hubungan yang diperlukan antara resonator nanomekanis – getaran kecil dari string silikon pada sebuah chip – secara eksperimental: kami menghubungkannya menggunakan gaya yang diberikan oleh cahaya dan dengan demikian menciptakan pegas ‘optik’.” “Dengan memvariasikan intensitas laser secara hati-hati, kami dapat menghubungkan lima resonator bersama-sama dan menciptakan ‘string Kitaev Bosson.’”

Keuntungan besar

Hasilnya membuat para ilmuwan takjub. “Kopling optik secara matematis mirip dengan ikatan superkonduktor dalam rangkaian fermionik Kitaev,” kata Verhagen. “Namun, boson yang tidak bermuatan bukanlah superkonduktor; sebaliknya, kopling optik memperkuat getaran mekanis skala nano. Akibatnya, gelombang suara, atau getaran mekanis, yang merambat melalui susunan tersebut diperkuat secara dramatis dari satu ujung ke ujung lainnya. Menariknya, transmisi osilasi dalam arah yang berlawanan dilarang. Dan yang lebih luar biasa lagi: jika gelombang ditunda sedikit – seperempat periode osilasi – perilakunya akan terbalik sepenuhnya: sinyal diperkuat ke belakang dan dihambat ke depan. “Rangkaian Kitaev Bossonian ” sehingga bertindak sebagai penguat arah yang luar biasa. Hal ini dapat memungkinkan aplikasi yang menjanjikan untuk pemrosesan sinyal, terutama dalam teknologi kuantum.

Metamaterial topologi

Sifat khusus mode nol Majorana dalam seri elektronik Kitaev terkait dengan fakta bahwa materialnya bersifat topologi. Dalam material topologi, beberapa fenomena pasti terkait dengan deskripsi matematis umum dari material tersebut. Fenomena ini dilindungi secara topologi, artinya dijamin tetap ada meskipun materialnya memiliki ketidaksempurnaan dan cacat. Hadiah Nobel Fisika 2016 dianugerahkan untuk pemahaman material topologi. Namun, ini adalah material yang tidak memiliki penguatan atau redaman. Deskripsi tahapan topologi yang terlibat dalam amplifikasi masih menjadi subjek penelitian dan diskusi yang intens.

Bekerja sama dengan ahli teori Clara Wangora (Institut Max Planck untuk Fisika Cahaya), ahli teori Matteo Brunelli (Universitas Basel), Javier Del Pino (ETH Zurich), dan Andreas Nonenkamp (Universitas Wina), para peneliti AMOLF menunjukkan bahwa “ Seri Bosonic Kitaev” sebenarnya mewujudkan topologi materi baru. Amplifikasi terarah yang diamati adalah fenomena topologi yang terkait dengan fase materi ini, seperti yang telah diprediksi oleh para peneliti pada tahun 2020. “Bagi kami, eksperimen yang kami laporkan di sini adalah konfirmasi dari pertimbangan beberapa tahun terakhir,” kata Andreas Nonenkamp dari Universitas Wina. : “Kami dapat mendeteksi tanda unik dari fase ini: ketika rantai “mirip dengan liontin tertutup, gelombang suara yang diperkuat terus bersirkulasi di cincin resonator dan mencapai intensitas yang sangat tinggi, mirip dengan pembangkitan sinar cahaya yang kuat pada laser.”