Una colaboración de investigación internacional ha descubierto cómo explotar ciertos defectos para proteger la energía confinada en los sistemas acústicos. Su enfoque experimental proporciona una plataforma versátil para crear defectos a voluntad para una mayor validación teórica y para mejorar el control de las ondas en otros sistemas, como la luz, según el investigador principal Yun Jing, profesor asociado de acústica e ingeniería biomédica en Penn State.

El equipo publicó sus resultados en Physical Review Letters , la publicación insignia de la American Physical Society. La investigación fue seleccionada como "Sugerencia de los editores" y también apareció en un artículo de comentario de APS.

El trabajo se relaciona con los fonones, y potencialmente con su equivalente óptico, los fotones, que pueden navegar por límites específicos en las denominadas redes topológicas sin dispersión. Tales redes se descubrieron por primera vez en la materia condensada, en la que los materiales consisten en átomos que se repiten en patrones precisos, unidos por la fuerza de sus acoplamientos, o cómo están unidos entre sí de tal manera que un cambio en un compañero puede influir en el otro. Según Jing, se sabe que estos materiales albergan estados topológicamente protegidos, que permanecen sin cambios incluso si el sistema contiene ciertas imperfecciones.

Mover estos estados deseados más allá de sus límites restrictivos a la mayor parte del material podría conducir a nuevas aplicaciones en la detección, dijo Jing. Sin embargo, para algunos estados, dicho movimiento requiere la introducción de nuevos defectos que a menudo rompen la simetría quiral del sistema, una propiedad clave que permite el confinamiento máximo de los estados vinculados al defecto introducido. Esto significa que la energía del estado está lo más aislada posible de los modos que podrían disminuirla o interrumpirla.

"La simetría quiral implica la existencia de un espectro simétrico:todos los modos en el sistema vienen en pares, con frecuencias equidistantes de la frecuencia cero, o no tienen un compañero y se ubican exactamente en la frecuencia cero", dijo Jing, señalando que el segundo caso es extremadamente raro y solo ocurre en configuraciones particulares de defectos topológicos específicamente en redes topológicas, incluida una llamada disclinación. "Sin embargo, de manera crucial, los defectos topológicos, que son necesarios para incrustar el estado deseado dentro de la mayor parte de la red, a menudo interrumpen la simetría quiral, lo que anula el propósito de tener una estructura topológica para empezar".

Los investigadores podrían haber hecho inclinaciones que obedecieran a la simetría quiral, pero cayeron en la primera categoría de espectro simétrico de estados uniformemente emparejados situados uniformemente lejos de la frecuencia cero. El coautor Wladimir A. Benalcazar, que era becario postdoctoral de Eberly en el Departamento de Física de Penn State en el momento de la investigación y ahora es becario postdoctoral de Moore en la Universidad de Princeton, teorizó que, dado que los estados de disclinación están ligados al núcleo del defecto, quizás se podría considerar la simetría de la declinación en sí misma para evitar que los estados a frecuencia cero se separen.

Para probar esto, los investigadores diseñaron una red acústica de panal como un análogo a una red cristalina. Según Jing, es mucho más fácil diseñar y manipular defectos en un sistema acústico que en materiales cristalinos. Utilizando cavidades cilíndricas para representar los átomos, los investigadores crearon un defecto mediante la eliminación de una sección de panal, excitaron acústicamente la red con altavoces y midieron su respuesta acústica con un micrófono. Los estados vinculados al núcleo de la declinación están anclados a una frecuencia cero, lo que Jing llamó una "frecuencia privilegiada" que garantiza el confinamiento máximo del estado vinculado. La frecuencia se considera privilegiada porque minimiza la posibilidad de perturbaciones que destruyan el estado ligado a ella.

"Nos propusimos comprender si se pueden crear defectos topológicos, como las inclinaciones, para atrapar modos acústicos altamente confinados que están protegidos de la perturbación", dijo Benalcazar. "Nuestra idea central fue que, si consideramos la simetría del grupo de puntos de la declinación, se evita que un par de modos de declinación se emparejen fuera de la frecuencia cero. Este mecanismo de protección resulta de la interacción de la fase topológica protegida por simetría de la red cristalina. y la carga topológica y la simetría de la declinación".

Este es el primer trabajo que valida experimentalmente que tales estados protegidos existen en el núcleo de declinación, dijo Jing. El enfoque de la plataforma de celosía acústica proporciona una herramienta novedosa para que los investigadores creen una variedad de defectos y su potencial, según los investigadores, quienes dijeron que tanto la teoría como la plataforma podrían aplicarse potencialmente más allá de la acústica para probar y construir aplicaciones controladas con ondas electromagnéticas. o sistemas cuánticos en física de la materia condensada. + Explora más

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