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“拓撲超材料”能以指數級放大聲波

文章來源：賢集網更新時間：2024-05-09 15:16:29

AMOLF的研究人員與來自德國、瑞士和奧地利的同事合作，發現了一種新型的超材料，聲波以前所未有的方式流過。它提供了一種新穎的機械振動放大形式，具有改進傳感器技術和信息處理設備的潛力。

這種超材料是所謂的“玻色子基塔耶夫鏈”的第一個實例，它的特殊性質來自其作為拓撲材料的性質。它是通過使納米機械諧振器通過輻射壓力與激光相互作用來實現的。這一發現于3月27日發表在著名的科學雜志《自然》上，是AMOLF、馬克斯·普朗克光科學研究所、巴塞爾大學、蘇黎世聯邦理工學院和維也納大學之間的國際合作實現的。

什么是拓撲材料？

拓撲材料中最有趣的是拓撲絕緣體，它們的內部絕緣但表面導電。這類材料中的電子導電通道非常穩定，對實驗中可能遇到的一些外部干擾不敏感，例如弱無序或溫度波動，也不依賴于材料的尺寸。以上特性很有趣，因為這意味著這類材料具有恒定的電阻和電導率。可對電流進行如此嚴格的控制對于許多應用都很有用。

最著名的拓撲絕緣體例子可能是砷化鎵，它是一種二維半導體，常用于整數量子霍爾效應的實驗中。在新一代拓撲絕緣體中，最著名的是硒化鉍，但并未引起像砷化鎵那樣的廣泛關注。(譯者注：整數量子霍爾效應中用到的是GaAs和AlGaAs生長成的異質結，用該量子阱去限制電子成為二維電子氣。)

當物理遇見拓撲：打開一扇窗

上世紀80年代初，物理學家第一次把宏觀的觀測量——霍爾電導和數學上的拓撲不變量聯系起來，給出了量子霍爾效應的拓撲詮釋。

在南京大學物理學院教授萬賢綱看來，這為物理學打開了一扇全新的窗戶。2016年諾貝爾物理學獎，就授予了在拓撲物理學方面有開創性貢獻的3位理論物理學家。

20多年間，科學家進一步發現在不同的維度和對稱性下，還存在著各種各樣的描述電子波函數結構的宏觀量子數，即拓撲不變量。而具有非零的拓撲不變量的材料，就被稱為拓撲材料。

“拓撲材料都有著新奇的表面態。”中科院物理所研究員方辰介紹說。

比如，二維拓撲絕緣體的表面態被稱為螺旋表面態，當電子處在這樣的狀態時，它在前進過程中不會被雜質散射，因此原則上利用這一特點可以實現無能耗的傳輸。這讓拓撲材料成為實現超低功耗電子元件的候選者。

又如具有拓撲性質的超導材料（簡稱拓撲超導體），這類材料的邊界態被稱為“馬約拉納零模”。它們在量子統計上具有特殊性質，被認為是實現量子計算機的可能的物理基礎。

越來越多的科學家開始意識到，拓撲材料可能比預期的更加普遍和新奇。它們近在眼前，只是沒想到好的方法去尋找它們。

光學彈簧

玻色子基塔耶夫鏈實質上是一串耦合諧振器。它是一種超材料，即具有工程性質的合成材料。諧振器可被認為是材料的“原子”，它們耦合在一起的方式控制著集體超材料的行為，在這種情況下，聲波沿著鏈條傳播。

研究人員表示，耦合器的鏈節必須用特殊彈簧制成。他們借助光施加的力在納米機械諧振器之間創建所需的鏈接，將它們耦合起來，從而創造出“光學”彈簧。研究人員調節激光強度，可以連接5個諧振器，并實現玻色子基塔耶夫鏈。

指數放大

結果是驚人的。

“光學耦合在數學上類似于費米子Kitaev鏈中的超導鏈接，”Verhagen說。“但是不帶電的玻色子不表現出超導性;相反，光耦合增加了納米機械振動的放大。結果，聲波（即通過陣列傳播的機械振動）從一端到另一端呈指數放大。有趣的是，在相反的方向上，振動的傳播是被禁止的。更有趣的是，如果波延遲一點——振蕩周期的四分之一——行為就會完全反轉：信號向后放大，向前受阻。因此，玻色子Kitaev鏈就像一種獨特的定向放大器，它可以在信號操縱方面有有趣的應用，特別是在量子技術中。

拓撲超材料

進一步研究還證明，玻色子基塔耶夫鏈實際上是物質的一中新拓撲相。

電子Kitaev鏈中馬約拉納零模的有趣特性與材料是拓撲的這一事實有關。在拓撲材料中，某些現象總是與材料的一般數學描述有關。然后，這些現象受到拓撲保護，這意味著即使材料存在缺陷和擾動，它們也可以保證存在。

對拓撲材料的理解在2016年獲得了諾貝爾物理學獎，但這僅包括不具有放大或阻尼功能的材料。對包括擴增在內的拓撲相的描述仍然是一個激烈的研究和爭論的話題。AMOLF研究人員與理論合作者Clara Wanjura（馬克斯·普朗克光科學研究所），Matteo Brunelli（巴塞爾大學），Javier del Pino（蘇黎世聯邦理工學院）和Andreas Nunnenkamp（維也納大學）一起表明，玻色子Kitaev鏈實際上是物質的一個新拓撲階段。

觀測到的定向放大是一種與物質相相關的拓撲現象，正如理論合作者在2018年預測的那樣。他們展示了超材料拓撲性質的獨特實驗特征：如果鏈是閉合的，以至于它形成了一條“項鏈”，諧振器環中的放大聲波會繼續循環并達到非常高的強度，類似于激光中產生的強光束。

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來源：賢集網
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