Los investigadores de AMOLF, en colaboración con socios de Alemania, Suiza y Austria, han creado un nuevo tipo de metamaterial a través del cual las ondas sonoras fluyen de una manera sin precedentes. Proporciona una forma novedosa de amplificación de vibraciones mecánicas, que tiene el potencial de mejorar la tecnología de sensores y los dispositivos de procesamiento de información.
Este metamaterial es el primer caso de la llamada "cadena bosónica de Kitaev", que obtiene sus propiedades especiales de su naturaleza como material topológico. Se logró haciendo que resonadores nanomecánicos interactuaran con luz láser a través de fuerzas de presión de radiación.
El descubrimiento, publicado en la revista Nature , se logró en una colaboración internacional entre AMOLF, el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz, la Universidad de Basilea, ETH Zurich y la Universidad de Viena.
La "cadena Kitaev" es un modelo teórico que describe la física de los electrones en un material superconductor, concretamente un nanocables. El modelo es famoso por predecir la existencia de excitaciones especiales en los extremos de dicho nanocable:los modos cero de Majorana. Estos han despertado un gran interés debido a su posible uso en computadoras cuánticas.
El líder del grupo AMOLF, Ewold Verhagen, dijo:"Estábamos interesados en un modelo que parezca matemáticamente idéntico, pero que describa ondas como la luz o el sonido, en lugar de electrones. Dado que tales ondas consisten en bosones (fotones o fonones) en lugar de fermiones (electrones), su Se espera que el comportamiento sea muy diferente. Sin embargo, en 2018 se predijo que una cadena bosónica de Kitaev exhibe un comportamiento fascinante que no se conoce de ningún material natural ni de ningún metamaterial hasta la fecha. Si bien muchos científicos estaban interesados, la realización experimental siguió siendo difícil de alcanzar. "
La cadena bosónica de Kitaev es esencialmente una cadena de resonadores acoplados. Es un metamaterial, es decir, un material sintético con propiedades diseñadas:los resonadores pueden considerarse como los "átomos" de un material, y la forma en que se acoplan controla el comportamiento metamaterial colectivo; en este caso la propagación de ondas sonoras a lo largo de la cadena.
"Los acoplamientos, los eslabones de la cadena bosónica de Kitaev, deben ser especiales y no pueden fabricarse con resortes normales, por ejemplo", dice el primer autor de Nature. papel Jesse Slim.
"Nos dimos cuenta de que podíamos crear experimentalmente los enlaces necesarios entre resonadores nanomecánicos (pequeñas cuerdas de silicio vibrantes en un chip) acoplándolos con la ayuda de fuerzas ejercidas por la luz; creando así resortes 'ópticos'. Variando cuidadosamente la intensidad de un láser sobre el tiempo permitió entonces unir cinco resonadores e implementar la cadena bosónica de Kitaev."
El resultado fue sorprendente. "El acoplamiento óptico se parece matemáticamente a los eslabones superconductores de la cadena fermiónica de Kitaev", afirma Verhagen.
"Pero los bosones sin carga no exhiben superconductividad; en cambio, el acoplamiento óptico añade amplificación a las vibraciones nanomecánicas. Como resultado, las ondas sonoras, que son las vibraciones mecánicas que se propagan a través de la matriz, se amplifican exponencialmente de un extremo al otro.
"Curiosamente, en la dirección opuesta está prohibida la transmisión de vibraciones. Y lo que es aún más intrigante, si la onda se retrasa un poco (un cuarto de período de oscilación), el comportamiento es completamente inverso:la señal se amplifica hacia atrás y se bloquea hacia adelante. La cadena bosónica de Kitaev actúa así como un tipo único de amplificador direccional, que podría tener aplicaciones interesantes para la manipulación de señales, en particular en la tecnología cuántica."
Las interesantes propiedades de los modos cero de Majorana en la cadena electrónica de Kitaev están relacionadas con el hecho de que el material es topológico. En los materiales topológicos, ciertos fenómenos están invariablemente relacionados con la descripción matemática general del material. Estos fenómenos están entonces protegidos topológicamente, lo que significa que se garantiza su existencia, incluso si el material sufre defectos y perturbaciones.
La comprensión de los materiales topológicos recibió el Premio Nobel de Física en 2016, pero este premio incluía únicamente materiales que no presentaban amplificación ni amortiguación. La descripción de fases topológicas que sí incluyen amplificación sigue siendo un tema de intensa investigación y debate.
Junto con los colaboradores teóricos Clara Wanjura (Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz), Matteo Brunelli (Universidad de Basilea), Javier del Pino (ETH Zurich) y Andreas Nunnenkamp (Universidad de Viena), los investigadores de AMOLF demostraron que el bosónico Kitaev La cadena es de hecho una nueva fase topológica de la materia.
La amplificación direccional observada es un fenómeno topológico asociado con esta fase de la materia, como predijeron los colaboradores de la teoría en 2018.
Demostraron una firma experimental única de la naturaleza topológica del metamaterial:si la cadena está cerrada, de modo que forma un "collar", las ondas sonoras amplificadas en el anillo de resonadores siguen circulando y alcanzan una intensidad muy alta, similar a la fuerte Los rayos de luz se generan en láseres.
Verhagen dijo:"Debido a la protección topológica, la amplificación es en principio insensible a las perturbaciones. Pero, curiosamente, la cadena es de hecho extra sensible a un tipo particular de perturbación; si la frecuencia del último resonador de la cadena se perturba ligeramente, el Las señales amplificadas a lo largo de la cadena pueden viajar repentinamente hacia atrás, experimentando una segunda amplificación. El resultado es que el sistema es muy sensible a una perturbación tan pequeña, que podría ser causada por la masa de una molécula adherida al resonador o por la interacción de un qubit. con ello."
Verhagen quiere investigar las posibilidades de mejorar la sensibilidad de los sensores nanomecánicos en estos sistemas. "Hemos visto los primeros indicios de las capacidades de detección en nuestros experimentos, lo cual es muy emocionante. Ahora necesitamos investigar con más detalle cómo funcionan estos sensores topológicos, si la sensibilidad aumenta en presencia de varios tipos de fuentes de ruido y si qué tecnologías de sensores interesantes pueden beneficiarse de estos principios. Este es solo el comienzo de ese esfuerzo."
Más información: Ewold Verhagen, Realización optomecánica de la cadena bosónica de Kitaev, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07174-w. www.nature.com/articles/s41586-024-07174-w
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por AMOLF
