Questo metamateriale è il primo esempio della cosiddetta "catena bosonica Kitaev", che deve le sue proprietà speciali alla sua natura di materiale topologico. È stato realizzato facendo interagire risonatori nanomeccanici con la luce laser attraverso forze di pressione di radiazione.

La scoperta, che viene pubblicata sulla rivista Nature , è stato realizzato in una collaborazione internazionale tra AMOLF, l'Istituto Max Planck per la scienza della luce, l'Università di Basilea, l'ETH di Zurigo e l'Università di Vienna.

La "catena di Kitaev" è un modello teorico che descrive la fisica degli elettroni in un materiale superconduttore, in particolare un nanofilo. Il modello è famoso per prevedere l'esistenza di eccitazioni speciali alle estremità di un tale nanofilo:i modi zero di Majorana. Questi hanno suscitato un forte interesse a causa del loro possibile utilizzo nei computer quantistici.

Il leader del gruppo AMOLF, Ewold Verhagen, ha dichiarato:"Eravamo interessati a un modello che sembra matematicamente identico, ma descrive onde come la luce o il suono, invece degli elettroni. Poiché tali onde consistono di bosoni (fotoni o fononi) piuttosto che di fermioni (elettroni), il loro si prevede che il comportamento sarà molto diverso. Tuttavia, nel 2018 è stato previsto che una catena bosonica di Kitaev mostrasse un comportamento affascinante che fino ad oggi non è noto a nessun materiale naturale, né a nessun metamateriale. Sebbene molti scienziati fossero interessati, la realizzazione sperimentale è rimasta sfuggente. "

Molle ottiche

La catena bosonica Kitaev è essenzialmente una catena di risonatori accoppiati. È un metamateriale, cioè un materiale sintetico con proprietà ingegnerizzate:i risonatori possono essere pensati come gli "atomi" di un materiale, e il modo in cui sono accoppiati insieme controlla il comportamento metamateriale collettivo; in questo caso la propagazione delle onde sonore lungo la catena.

"Gli accoppiamenti, gli anelli della catena bosonica Kitaev, devono essere speciali e non possono essere realizzati con molle normali, ad esempio", afferma il primo autore di Nature carta Jesse Slim.

"Ci siamo resi conto che potevamo creare sperimentalmente i collegamenti richiesti tra risonatori nanomeccanici - piccole stringhe di silicio vibranti su un chip - accoppiandoli con l'aiuto delle forze esercitate dalla luce; creando così molle "ottiche". Variando attentamente l'intensità di un laser su il tempo ha poi consentito di collegare cinque risonatori e di implementare la catena bosonica Kitaev."

Amplificazione esponenziale

Il risultato è stato sorprendente. "L'accoppiamento ottico assomiglia matematicamente ai collegamenti superconduttori della catena fermionica di Kitaev", afferma Verhagen.

"Ma i bosoni non carichi non mostrano superconduttività; invece, l'accoppiamento ottico aggiunge amplificazione alle vibrazioni nanomeccaniche. Di conseguenza, le onde sonore, che sono le vibrazioni meccaniche che si propagano attraverso la matrice, vengono amplificate in modo esponenziale da un'estremità all'altra.

"È interessante notare che nella direzione opposta la trasmissione delle vibrazioni è vietata. E cosa ancora più interessante, se l'onda viene ritardata un po', di un quarto di periodo di oscillazione, il comportamento è completamente invertito:il segnale viene amplificato all'indietro e bloccato in avanti. La catena bosonica di Kitaev agisce quindi come un tipo unico di amplificatore direzionale, che potrebbe avere interessanti applicazioni per la manipolazione del segnale, in particolare nella tecnologia quantistica."

Metamateriale topologico

Le interessanti proprietà dei modi zero di Majorana nella catena elettronica di Kitaev sono legate al fatto che il materiale è topologico. Nei materiali topologici alcuni fenomeni sono invariabilmente collegati alla descrizione matematica generale del materiale. Tali fenomeni vengono poi protetti topologicamente, nel senso che è garantita la loro esistenza, anche se il materiale presenta difetti e perturbazioni.

La comprensione dei materiali topologici è stata insignita del premio Nobel per la fisica nel 2016, ma comprendeva solo materiali che non presentano amplificazione o smorzamento. La descrizione delle fasi topologiche che includono l'amplificazione è ancora oggetto di intense ricerche e dibattiti.

Insieme ai collaboratori teorici Clara Wanjura (Istituto Max Planck per la Scienza della Luce), Matteo Brunelli (Università di Basilea), Javier del Pino (ETH di Zurigo) e Andreas Nunnenkamp (Università di Vienna), i ricercatori dell'AMOLF hanno dimostrato che il sistema bosonico Kitaev la catena è infatti una nuova fase topologica della materia.

L'amplificazione direzionale osservata è un fenomeno topologico associato a questa fase della materia, come previsto dai collaboratori della teoria nel 2018.

Hanno dimostrato una firma sperimentale unica della natura topologica del metamateriale:se la catena è chiusa, in modo tale da formare una "collana", le onde sonore amplificate nell'anello dei risonatori continuano a circolare e raggiungono un'intensità molto elevata, simile a quella forte i raggi luminosi vengono generati nei laser.

Aumentare le prestazioni del sensore?

Verhagen ha detto:"Grazie alla protezione topologica, l'amplificazione è in linea di principio insensibile ai disturbi. Ma, cosa interessante, la catena è in realtà estremamente sensibile a un particolare tipo di disturbo; se la frequenza dell'ultimo risonatore sulla catena è leggermente perturbata, il i segnali amplificati lungo la catena possono improvvisamente viaggiare di nuovo all'indietro, sperimentando l'amplificazione una seconda volta. Il risultato è che il sistema è molto sensibile a una perturbazione così piccola, che potrebbe essere causata dalla massa di una molecola che aderisce al risonatore o da un qubit che interagisce. con esso."

Verhagen vuole studiare le possibilità di migliorare la sensibilità dei sensori nanomeccanici in questi sistemi. "Abbiamo visto le prime indicazioni delle capacità di rilevamento nei nostri esperimenti, il che è molto entusiasmante. Ora dobbiamo studiare più in dettaglio come funzionano questi sensori topologici, se la sensibilità viene aumentata in presenza di vari tipi di fonti di rumore e quali interessanti tecnologie di sensori possono trarre vantaggio da questi principi. Questo è solo l'inizio di questo impegno."