新型拓扑超材料可成倍放大声波

玻色子基塔耶夫链的艺术印象:多个机械弦谐振器用光连接成一条链。机械振动(声波)沿着链条传递和放大。来源:Ella Maru Studio

AMOLF的研究人员与来自德国、瑞士和奥地利的合作伙伴合作，已经实现了一种新型的超材料，声波通过这种材料以前所未有的方式传播。它提供了一种新的机械振动放大形式，有可能改进传感器技术和信息处理设备。这种超材料是所谓的“玻色子基塔耶夫链”的第一个实例，它的特殊性质来自于它作为拓扑材料的性质。它是通过使纳米机械谐振器通过辐射压力与激光相互作用来实现的。这一发现由AMOLF、马克斯·普朗克光科学研究所、巴塞尔大学、苏黎世联邦理工学院和维也纳大学的国际合作完成，并发表在《自然》杂志上。“基塔耶夫链”是一种理论模型，描述了超导材料中电子的物理特性，特别是纳米线。该模型以预测这种纳米线末端存在特殊激励而闻名:马约拉纳零模。由于它们可能用于量子计算机，因此引起了人们的强烈兴趣。

AMOLF小组负责人eold Verhagen说:“我们对一个数学上看起来相同的模型感兴趣，但它描述的是像光或声音这样的波，而不是电子。由于这种波由玻色子(光子或声子)而不是费米子(电子)组成，因此它们的行为预计会非常不同。尽管如此，2018年有人预测，玻色子基塔耶夫链表现出令人着迷的行为，这是迄今为止任何天然材料和任何超材料都不知道的。虽然许多科学家对此感兴趣，但实验实现仍然难以实现。"

光学弹簧

玻色子基塔耶夫链本质上是一个耦合谐振子链。它是一种超材料，即一种具有工程特性的合成材料:谐振器可以被认为是材料的“原子”，它们耦合在一起的方式控制着集体超材料的行为;在这种情况下，声波沿着链条传播。《自然》杂志论文的第一作者杰西·斯利姆说:“这种耦合——玻色子基塔耶夫链的连接——必须是特殊的，不能用普通的弹簧来制造。”“我们意识到，我们可以通过实验在纳米机械谐振器(芯片上的小振动硅弦)之间建立所需的连接，方法是在光施加的力的帮助下将它们耦合起来;这样就产生了“光学”弹簧。随着时间的推移，仔细改变激光的强度，然后可以连接五个谐振器并实现玻色子基塔耶夫链。"

指数放大

结果是惊人的。“光学耦合在数学上类似于费米子基塔耶夫链中的超导链接，”Verhagen说。“但不带电的玻色子不表现出超导性;相反，光学耦合增加了纳米机械振动的放大。结果，声波，即通过阵列传播的机械振动，从一端到另一端呈指数级放大。“有趣的是，相反方向的振动传播是被禁止的。更有趣的是，如果波被延迟一点——振荡周期的四分之一——行为就完全颠倒了:信号被向后放大，向前阻断。因此，玻色子基塔耶夫链就像一种独特的定向放大器，可以在信号处理方面有有趣的应用，特别是在量子技术方面。"

拓扑超材料

电子基塔耶夫链中马约拉纳零模的有趣性质与材料的拓扑性有关。在拓扑材料中，某些现象总是与材料的一般数学描述有关。然后，这些现象被拓扑保护，这意味着它们保证存在，即使材料遭受缺陷和扰动。对拓扑材料的理解在2016年获得了诺贝尔物理学奖，但这只包括不具有放大或阻尼特性的材料。对包含放大的拓扑相的描述仍然是一个激烈研究和争论的话题。

AMOLF的研究人员与理论合作者Clara Wanjura(马克斯普朗克光科学研究所)、Matteo Brunelli(巴塞尔大学)、Javier del Pino(苏黎世联邦理工学院)和Andreas Nunnenkamp(维也纳大学)一起，证明了波色子Kitaev链实际上是一种新的物质拓扑相。

正如理论合作者在2018年预测的那样，观察到的定向放大是一种与物质相相关的拓扑现象。

他们展示了超材料拓扑性质的独特实验特征:如果链闭合，形成一条“项链”，共振器环中被放大的声波继续循环并达到非常高的强度，类似于激光产生强光束的方式。提升传感器性能?

Verhagen说:“由于拓扑保护，放大原则上对干扰不敏感。但有趣的是，这条链实际上对一种特定类型的干扰格外敏感;如果链上最后一个谐振器的频率稍微受到扰动，沿着链被放大的信号就会突然向后传播，经历第二次放大。结果是，系统对如此小的扰动非常敏感，这可能是由附着在谐振器上的分子质量或与之相互作用的量子比特引起的。"

Verhagen想要研究在这些系统中提高纳米机械传感器灵敏度的可能性。“我们已经在实验中看到了传感能力的第一个迹象，这非常令人兴奋。我们现在需要更详细地研究这些拓扑传感器是如何工作的，是否在各种类型的噪声源存在下提高灵敏度，以及哪些有趣的传感器技术可以从这些原理中受益。这只是努力的开始。"