Los físicos de AMOLF han hecho que las vibraciones mecánicas en un chip se comporten como si fueran corrientes eléctricas fluyendo en un campo magnético. Debido a su cargo, los electrones están influenciados por campos magnéticos, que curvan sus trayectorias. Las ondas sonoras o más precisamente las vibraciones mecánicas que se propagan no sienten un campo magnético, porque no llevan carga. Al iluminar cuerdas con luz láser, los investigadores han encontrado una forma de hacer que las vibraciones mecánicas salten de una cuerda a nanoescala a otra. Por lo tanto, estas vibraciones se comportan como electrones en un campo magnético. Esto abre nuevas formas de manipular las ondas sonoras y la información que pueden transportar en chips. Publican sus hallazgos en Nanotecnología de la naturaleza el 3 de febrero de 2020.

Los campos magnéticos son indispensables para controlar partículas cargadas, por ejemplo en motores eléctricos y aceleradores de partículas, y es famoso por introducir muchos fenómenos únicos en los materiales. Influyen en la trayectoria de las cargas:un electrón que se propaga a lo largo de una trayectoria en un campo magnético no recorrerá la misma trayectoria si se envía en la dirección opuesta. A través de esto, Los campos magnéticos desbloquean un control exótico de electrones a nanoescala. "Para muchas aplicaciones, sería útil controlar las vibraciones o las ondas sonoras de manera similar, rompiendo su habitual simetría de propagación, "dice Ewold Verhagen, quien lidera el grupo de Fuerzas Fotónicas en AMOLF. "Sin embargo, esto es desafiante, porque las vibraciones mecánicas no llevan carga, lo que los hace invisibles a las fuerzas magnéticas. "

Luz acoplando las cuerdas en una nano-guitarra

Verhagen y los miembros de su grupo John Mathew y Javier del Pino sortearon este problema con dos cuerdas de silicio de escala nanométrica que vibran cada una a una frecuencia diferente. Tales cuerdas normalmente serían incapaces de hacerse cargo de las vibraciones de las demás, pero su interacción con la luz láser funciona. Verhagen:"En estas escalas de longitud muy pequeñas, los fotones interactúan con la nanocadena a través de una fuerza llamada presión de radiación, que es proporcional a la intensidad de la luz. Las vibraciones en la cuerda pueden cambiar ligeramente esta intensidad de luz. Con dos cuerdas iluminadas por láser, las vibraciones en la primera cuerda influyen en la presión de radiación ejercida sobre la segunda cuerda. Si la frecuencia es la correcta, esto hace que la segunda cuerda también vibre ".

Simulando un campo magnético

Debido a que las cuerdas utilizadas aquí vibran a diferentes frecuencias, el verdadero truco está en el rayo láser que los ilumina. Este no es un láser cualquiera, sino un rayo láser cuya intensidad se modula cuidadosamente a una frecuencia que coincide exactamente con la diferencia de frecuencia de las dos cadenas. Por lo tanto, la frecuencia de modulación agregada a la vibración de la primera cuerda coincide exactamente con la frecuencia de la segunda cuerda.

"Esto significa que una vibración de la primera cuerda se puede transferir a la segunda cuerda, aunque tienen tonos muy diferentes. Y lo hace con un pequeño retraso (fase) ", dice Verhagen. "Del mismo modo, si 'arrancamos' la segunda cuerda, sus vibraciones también se pueden transferir a la primera cuerda. En ese caso, sin embargo, el retardo de tiempo es negativo. Por lo tanto, el transporte de vibraciones es diferente en direcciones opuestas ".

Esto significa que la simetría que normalmente se encuentra en la propagación de vibraciones mecánicas (es decir, sonido) se ha roto, que es lo mismo que le sucede a un electrón en un campo magnético fuerte. Verhagen:"De hecho, estamos simulando un campo magnético para las partículas sin carga (fonones) que forman una onda de sonido. Somos los primeros en haber hecho esto en una configuración a nanoescala".

Sonido sin eco

Un "campo magnético" para el sonido eventualmente ofrecería infinitas posibilidades para los resonadores a nanoescala. "Imaginamos la creación de todo tipo de ondas acústicas exóticas en circuitos a nanoescala orquestados por la luz, ", Dice Verhagen con entusiasmo." Como una ruta unidireccional para el sonido con vibraciones que no pueden devolver el eco. O incluso un sonido equivalente para aisladores topológicos, con un material a granel que es impenetrable para el sonido y las vibraciones que solo se transfieren a los bordes. Los resonadores nanomecánicos se utilizan cada vez más como sensores y para procesar señales en teléfonos móviles. Por lo tanto, las nuevas formas de controlarlos tienen perspectivas interesantes para mejorar la funcionalidad de dichos dispositivos. Pero lo mas importante, nuestros resultados son relevantes para una comprensión fundamental de las ondas sonoras. El descubrimiento de cómo se comportan los electrones en un campo magnético ha dado lugar a varios descubrimientos ganadores del Premio Nobel, como el efecto Quantum Hall, y subyace a las propiedades especiales del grafeno y las partículas de Majorana. Quién sabe qué comportamiento fascinante del sonido podría ayudar a revelar un campo magnético en un futuro próximo ".