Il team di ricerca internazionale ha utilizzato questo modello di reticolo acustico per studiare come i difetti intenzionali potrebbero proteggere la simmetria del sistema. Credito:Guancong Ma/Hong Kong Baptist University
Una collaborazione di ricerca internazionale ha scoperto come sfruttare alcuni difetti per proteggere l'energia confinata nei sistemi acustici. Il loro approccio sperimentale fornisce una piattaforma versatile per creare difetti a volontà per un'ulteriore convalida teorica e per migliorare il controllo delle onde in altri sistemi, come la luce, secondo il ricercatore principale Yun Jing, professore associato di acustica e ingegneria biomedica alla Penn State.
Il team ha pubblicato i risultati in Lettere di revisione fisica , la pubblicazione di punta dell'American Physical Society. La ricerca è stata selezionata come "Suggerimento della redazione" ed è stata anche inclusa in un articolo di commento di APS.
Il lavoro riguarda i fononi, e potenzialmente i loro equivalenti ottici, i fotoni, che possono attraversare confini specifici nei cosiddetti reticoli topologici senza dispersione. Tali reticoli sono stati scoperti per la prima volta nella materia condensata, in cui i materiali sono costituiti da atomi che si ripetono secondo schemi precisi, tenuti insieme dalla forza dei loro accoppiamenti, o da come sono legati l'uno all'altro in modo tale che un cambiamento in un partner possa influenzare il Altro. Secondo Jing, questi materiali sono noti per ospitare stati topologicamente protetti, che rimangono inalterati anche se il sistema contiene alcune imperfezioni.
Spostare questi stati desiderati oltre i loro limiti restrittivi alla maggior parte del materiale potrebbe portare a nuove applicazioni nel rilevamento, ha affermato Jing. Tuttavia, per alcuni stati, tale movimento richiede l'introduzione di nuovi difetti che spesso rompono la simmetria chirale del sistema, una proprietà chiave che consente il massimo confinamento degli stati legati al difetto introdotto. Ciò significa che l'energia dello stato è il più isolata possibile dai modi che potrebbero diminuirla o interromperla.
"La simmetria chirale implica l'esistenza di uno spettro simmetrico:tutti i modi nel sistema sono o in coppia, con frequenze equidistanti dalla frequenza zero, oppure non hanno un partner e siedono esattamente a frequenza zero", ha detto Jing, osservando che il secondo caso è estremamente raro e si verifica solo in particolari configurazioni di difetti topologici in particolare nei reticoli topologici, incluso uno chiamato disclinazione. "Fondamentalmente, tuttavia, i difetti topologici, necessari per incorporare lo stato desiderato all'interno della maggior parte del reticolo, spesso interrompono la simmetria chirale, il che vanifica lo scopo di avere una struttura topologica tanto per cominciare".
I ricercatori avrebbero potuto fare delle inclinazioni che obbedivano alla simmetria chirale, ma sono caduti nella prima categoria dello spettro simmetrico di stati accoppiati uniformemente situati uniformemente lontano dalla frequenza zero. Il coautore Wladimir A. Benalcazar, che era un Eberly Postdoctoral Fellow presso il Penn State Department of Physics al momento della ricerca e ora è Moore Postdoctoral Fellow presso la Princeton University, ha teorizzato che, poiché gli stati di inclinazione sono legati al nucleo del difetto, forse si potrebbe considerare la simmetria della stessa declinazione per impedire la separazione degli stati a frequenza zero.
Per testare questo, i ricercatori hanno progettato un reticolo acustico a nido d'ape come analogo a un reticolo cristallino. Secondo Jing, è molto più facile progettare e manipolare i difetti in un sistema acustico che nei materiali cristallini. Usando cavità cilindriche per rappresentare gli atomi, i ricercatori hanno creato un difetto rimuovendo una sezione di nido d'ape, eccitato acusticamente il reticolo con altoparlanti e misurato la sua risposta acustica con un microfono. Gli stati legati al nucleo della declinazione sono fissati a frequenza zero, che Jing ha chiamato "frequenza privilegiata" che garantisce il massimo confinamento dello stato legato. La frequenza è considerata privilegiata perché riduce al minimo la possibilità che perturbazioni distruggano lo stato ad essa legato.
"Ci siamo messi a capire se è possibile creare difetti topologici, come le inclinazioni, per intrappolare modalità acustiche altamente confinate che sono protette dalle perturbazioni", ha affermato Benalcazar. "La nostra intuizione fondamentale era che, se consideriamo la simmetria del gruppo di punti della disclinazione, a una coppia di modalità di disclinazioni viene impedito di accoppiarsi lontano dalla frequenza zero. Questo meccanismo di protezione risulta dall'interazione della fase topologica protetta dalla simmetria del reticolo cristallino e la carica topologica e la simmetria della inclinazione."
Questo è il primo lavoro che convalida sperimentalmente l'esistenza di tali stati protetti nel nucleo della declinazione, ha detto Jing. L'approccio della piattaforma a reticolo acustico fornisce ai ricercatori un nuovo strumento per creare una varietà di difetti e il loro potenziale, secondo i ricercatori, i quali hanno affermato che sia la teoria che la piattaforma potrebbero essere potenzialmente applicate oltre l'acustica per testare e costruire applicazioni controllate con onde elettromagnetiche o sistemi quantistici nella fisica della materia condensata. + Esplora ulteriormente
