Aby to osiągnąć, zespół badawczy doprowadził do interakcji rezonatorów nanomechanicznych ze światłem laserowym za pomocą radiacyjnych sił ciśnienia. Odkrycie, opublikowane w czasopiśmie Nature, jest wynikiem międzynarodowej współpracy pomiędzy AMOLF, Instytutem Fizyki Światła Maxa Plancka w Erlangen, Uniwersytetem w Bazylei, ETH Zurich i Uniwersytetem Wiedeńskim.

„Seria Kitaeva” to model teoretyczny opisujący fizykę elektronów w materiałach nadprzewodzących, zwłaszcza nanodrutach. Model ten jest szczególnie ważny, ponieważ przewiduje specjalne stany wzbudzone na końcach takiego nanodrutu: mody zerowe Majorany. Cieszą się one dużym zainteresowaniem ze względu na ich potencjalne zastosowanie w komputerach kwantowych. Lider grupy AMOLF, Ewald Verhagen: „Zainteresował nas model o identycznej strukturze matematycznej, ale opisujący fale takie jak światło lub dźwięk, a nie elektrony. Ponieważ fale te składają się z bozonów (fotonów lub fononów), a nie fermionów (elektronów) , założono, że zachowają się inaczej. Już w 2018 roku sądzono, że „struna Bossian Kitaev” będzie wykazywać niezwykłe zachowanie, które nie było jeszcze znane z żadnej naturalnej materii ani metamateriału. Wielu badaczy było bardzo zainteresowanych pokazaniem tego , ale eksperymentalne wdrożenie wydawało się nieuchwytne.

Wizualne pióra

„Seria bozonowa Kitaeva” to w zasadzie seria sprzężonych rezonatorów. Jest to metamateriał, czyli materiał syntetyczny o sztucznych właściwościach. Rezonatory reprezentują „atomy” materii, a sposób, w jaki są ze sobą połączone, kontroluje zbiorowe zachowanie metamaterii – w tym przypadku propagację fal dźwiękowych wzdłuż struny. „Sprzęgła – bozonowe ogniwa łańcucha Kitaeva – muszą spełniać specjalne wymagania i nie mogą być produkowane przy użyciu konwencjonalnych sprężyn”, mówi pierwszy autor Jesse Slim. „Uświadomiliśmy sobie, że niezbędne połączenia między rezonatorami nanomechanicznymi – maleńkie wibracje” strun krzemowych na chipie – możemy stworzyć eksperymentalnie: łączymy je za pomocą sił wywieranych przez światło i w ten sposób tworzymy „optyczne” sprężyny. „Starannie zmieniając intensywność lasera, byliśmy w stanie połączyć ze sobą pięć rezonatorów i stworzyć„ strunę Kitaev Bosson ”.

Ogromne zyski

Wynik zadziwił naukowców. „Sprzężenie optyczne jest matematycznie podobne do wiązań nadprzewodzących w szeregu fermionowym Kitaeva” – mówi Verhagen. „Jednak nienaładowane bozony nie są nadprzewodnikami; zamiast tego sprzężenie optyczne wzmacnia drgania mechaniczne w skali nano. W rezultacie fale dźwiękowe, czyli drgania mechaniczne, rozchodzące się w układzie, są dramatycznie wzmacniane z jednego końca na drugi. Co ciekawe, przenoszenie oscylacji w kierunek przeciwny jest zabroniony.A co jest jeszcze bardziej niezwykłe: jeśli fala jest nieco opóźniona – o jedną czwartą okresu oscylacji – zachowanie jest całkowicie odwrotne: sygnał jest wzmacniany do tyłu i hamowany do przodu. „Szereg Kitaev Bossonian ” działa zatem jako wyjątkowy wzmacniacz kierunkowy. Może umożliwić obiecujące zastosowania w przetwarzaniu sygnałów, zwłaszcza w technologii kwantowej.

Metamateriały topologiczne

Szczególne właściwości modów zerowych Majorany w elektronice serii Kitaev wynikają z faktu, że materiał jest topologiczny. W materiałach topologicznych niektóre zjawiska są nieuchronnie związane z ogólnym matematycznym opisem materiału. Zjawiska te są chronione topologicznie, co oznacza, że ​​istnieje gwarancja ich istnienia nawet w przypadku niedoskonałości i defektów materiału. Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2016 została przyznana za zrozumienie materiałów topologicznych. Były to jednak materiały, które nie posiadały żadnego wzmocnienia ani tłumienia. Opis etapów topologicznych biorących udział w amplifikacji pozostaje przedmiotem intensywnych badań i dyskusji.

We współpracy z teoretyczką Clarą Wangorą (Instytut Fizyki Światła Maxa Plancka), teoretykami Matteo Brunellim (Uniwersytet w Bazylei), Javierem Del Pino (ETH Zurich) i Andreasem Nonenkampem (Uniwersytet w Wiedniu) badacze z AMOLF wykazali, że „ Bosoniczna seria Kitaeva” w rzeczywistości ucieleśnia nową topologię materii. Zaobserwowane ukierunkowane wzmocnienie jest zjawiskiem topologicznym związanym z tą fazą materii, jak przewidywali naukowcy już w 2020 r. „Dla nas eksperymenty, które tu opisujemy, są potwierdzeniem przemyśleń z ostatnich kilku lat”, mówi Andreas Nonenkamp z Uniwersytetu Wiedeńskiego.: „Udało nam się odkryć wyjątkową cechę charakterystyczną tej fazy: kiedy łańcuch jest „zamknięty”, podobnie jak zamknięty wisiorek, wzmocnione fale dźwiękowe nadal krążą w pierścieniu rezonatorów i osiągają bardzo dużą intensywność, podobną do wytwarzania potężnych wiązek światła w laserach.”