作者:张佳欣 来源:科技日报 发布时间:2024/3/30 14:36:33
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新型拓扑超材料以指数级放大声波

 

荷兰原子分子国立研究所科学家与来自德国、瑞士和奥地利的伙伴合作,创造了一种新型超材料,声波能以前所未有的方式在其中流动。它提供了一种新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“玻色子基塔耶夫链”(Bosonic Kitaev chain)的首个例子,其特殊性质源自其拓扑材料性质。这一成果发表在3月27日《自然》杂志上。

玻色子基塔耶夫链(艺术图):多个机械弦谐振器通过光连接成一条链。振动(声波)沿着链条传输和放大。图片来源:荷兰原子分子国立研究所

“基塔耶夫链”是一个理论模型,用于描述超导材料(特别是纳米线)中电子的物理现象。该模型因预测纳米线末端是否存在特殊激发而闻名,即马约拉纳零能模。2018年,有人预测,玻色子基塔耶夫链将展示出天然材料或超材料一些迄今未知的行为。

玻色子基塔耶夫链实质上是一串耦合谐振器。它是一种超材料,即具有工程性质的合成材料。谐振器可被认为是材料的“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。

研究人员表示,耦合器的链节必须用特殊弹簧制成。他们借助光施加的力在纳米机械谐振器之间创建所需的链接,将它们耦合起来,从而创造出“光学”弹簧。研究人员调节激光强度,可以连接5个谐振器,并实现玻色子基塔耶夫链。

研究发现,这种光学耦合会放大纳米机械振动,声波(即通过阵列传播的机械振动)从一端到另一端呈指数放大,但在相反方向上振动无法传递。如果波延迟一点(如1/4振荡周期),则行为会完全相反。因此,玻色子基塔耶夫链就像一种独特类型的定向放大器,在信号操纵方面极具潜力,特别是在量子技术中。

进一步研究还证明,玻色子基塔耶夫链实际上是物质的一中新拓扑相。正如2018年预测那样,研究人员展示了超材料拓扑性质的独特实验特征:如果链闭合,它会形成一条“项链”,放大的声波在谐振器环中不断循环并达到极高强度,类似于激光中产生的强光束。

(原标题:玻色子基塔耶夫链的首个例子:新型拓扑超材料以指数级放大声波


 
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