激光网3月28日消息，AMOLF的研究人员与来自德国、瑞士和奥地利的合作伙伴合作，实现了一种新型超材料，声波以前所未有的方式流过。它提供了一种新颖的机械振动放大形式，具有改进传感器技术和信息处理设备的潜力。
这种超材料是所谓的“玻色子基塔耶夫链”的第一个实例，它的特殊性质来自其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。
这一发现发表在《自然》杂志上，是在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之间的国际合作中实现的。
“基塔耶夫链”是一个理论模型，描述了超导材料中电子的物理特性。该模型以预测这种纳米线末端存在特殊激发而闻名：马约拉纳零模式。由于它们可能用于量子计算机，它们引起了人们的强烈兴趣。
AMOLF小组负责人Ewold Verhagen说：“我们对一个在数学上看起来相同的模型感兴趣，但描述的是光或声音等波，而不是电子。由于这种波由玻色子而不是费米子组成，因此它们的行为预计会非常不同。尽管如此，在 2018 年，据预测，玻色子 Kitaev 链表现出迄今为止任何天然材料或任何超材料都不知道的迷人行为。虽然许多科学家对此很感兴趣，但实验实现仍然难以捉摸。
玻色子基塔耶夫链本质上是耦合谐振器链。它是一种超材料，即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行为;在这种情况下，声波沿链传播。
“联轴器 - 玻色子Kitaev链的链节 - 需要特殊，例如不能用常规弹簧制成，”Nature论文的第一作者Jesse Slim说。
“我们意识到，我们可以在纳米力学谐振器之间建立所需的链接，方法是借助光施加的力将它们耦合起来;从而产生“光学”弹簧。随着时间的推移，仔细地改变激光的强度，然后允许连接五个谐振器并实现玻色子Kitaev链。
结果是惊人的。“光学耦合在数学上类似于费米子Kitaev链中的超导链接，”Verhagen说。
“但是不带电的玻色子不表现出超导性;相反，光耦合增加了纳米机械振动的放大。结果，声波从一端到另一端呈指数放大。
“有趣的是，在相反的方向上，振动的传播是被禁止的。更有趣的是，如果波延迟了四分之一的振荡周期，则行为完全相反：信号向后放大并向前受阻。因此，玻色子Kitaev链就像一种独特的定向放大器，它可以在信号操纵方面有有趣的应用，特别是在量子技术中。
电子Kitaev链中马约拉纳零模的有趣特性与材料是拓扑的这一事实有关。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，这些现象受到拓扑保护，这意味着即使材料存在缺陷和扰动，它们也可以保证存在。
对拓扑材料的理解在2016年获得了诺贝尔物理学奖，但这仅包括不具有放大或阻尼功能的材料。对包括扩增在内的拓扑相的描述仍然是一个激烈的研究和争论的话题。
AMOLF的研究人员与理论合作者马克斯·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一起表明，玻色子Kitaev链实际上是物质的一个新拓扑相。
观测到的定向放大是与这一物质阶段相关的拓扑现象，正如理论合作者在2018年预测的那样。
他们展示了超材料拓扑性质的独特实验特征：如果链是闭合的，以至于它形成了一个“项链”，谐振器环中的放大声波会继续循环并达到非常高的强度，类似于激光中产生强光束的方式。
Verhagen说：“由于拓扑保护，扩增原则上对干扰不敏感。但有趣的是，该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受到轻微扰动，则沿链的放大信号会突然再次向后传播，从而经历第二次放大。结果是，该系统对如此小的扰动非常敏感，这可能是由粘附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希望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初步迹象，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，在存在各种类型的噪声源的情况下，灵敏度是否会提高，以及哪些有趣的传感器技术可以从这些原理中受益。这仅仅是努力的开始。
