I fisici AMOLF hanno fatto sì che le vibrazioni meccaniche su un chip si comportassero come se fossero correnti elettriche che fluiscono in un campo magnetico. A causa della loro carica, gli elettroni sono influenzati da campi magnetici, che curvano le loro traiettorie. Le onde sonore o più precisamente le vibrazioni meccaniche propaganti non percepiscono un campo magnetico, perché non portano carica. Illuminando le stringhe con la luce laser, i ricercatori hanno trovato un modo per far saltare le vibrazioni meccaniche da una stringa su nanoscala all'altra. Così, queste vibrazioni si comportano come elettroni in un campo magnetico. Questo sblocca nuovi modi per manipolare le onde sonore e le informazioni che possono trasportare sui chip. Pubblicano i loro risultati in Nanotecnologia della natura il 3 febbraio 2020.

I campi magnetici sono indispensabili per controllare le particelle cariche, ad esempio nei motori elettrici e negli acceleratori di particelle, e notoriamente introducono molti fenomeni unici nei materiali. Influenzano la traiettoria delle cariche:un elettrone che si propaga lungo una traiettoria in un campo magnetico non percorrerà la stessa traiettoria se inviato nella direzione opposta. Attraverso questo, i campi magnetici sbloccano un controllo esotico degli elettroni su scala nanometrica. "Per molte applicazioni sarebbe utile controllare le vibrazioni o le onde sonore in modo simile, rompendo la loro consueta simmetria di propagazione, "dice Ewold Verhagen, che guida il gruppo Photonic Forces presso AMOLF. "Però, questo è impegnativo, perché le vibrazioni meccaniche non portano carica, che li rende invisibili alle forze magnetiche. "

Luce che accoppia le corde su una nano-chitarra

Verhagen e i membri del suo gruppo John Mathew e Javier del Pino hanno aggirato questo problema con due stringhe di silicio su scala nanometrica che vibrano ciascuna a una frequenza diversa. Tali corde normalmente non sarebbero in grado di assorbire le vibrazioni reciproche, ma la loro interazione con la luce laser fa il trucco. Verhagen:"A queste scale di lunghezza molto piccole, i fotoni interagiscono con la nanostringa attraverso una forza chiamata pressione di radiazione, che è proporzionale all'intensità della luce. Le vibrazioni nella corda possono modificare leggermente questa intensità luminosa. Con due fili illuminati da un laser, le vibrazioni nella prima corda influenzano la pressione di radiazione esercitata sulla seconda corda. Se la frequenza è corretta, questo fa vibrare anche la seconda corda."

Simulazione di un campo magnetico

Poiché le corde usate qui vibrano a frequenze diverse, il vero trucco sta nel raggio laser che li illumina. Questo non è un laser qualsiasi, ma un raggio laser la cui intensità è accuratamente modulata a una frequenza che corrisponde esattamente alla differenza di frequenza delle due corde. Così, la frequenza di modulazione sommata alla vibrazione della prima corda corrisponde esattamente alla frequenza della seconda corda.

"Ciò significa che una vibrazione della prima corda può essere trasferita alla seconda corda, anche se hanno toni molto diversi. E lo fa con un piccolo ritardo (fase)", dice Verhagen. "Nello stesso modo, se 'pizziamo' la seconda corda, le sue vibrazioni possono essere trasferite anche alla prima corda. In quel caso, però, il ritardo è negativo. Così, il trasporto delle vibrazioni è diverso in direzioni opposte."

Ciò significa che la simmetria che normalmente si riscontra nella propagazione delle vibrazioni meccaniche (cioè del suono) è stata rotta, che è lo stesso di ciò che accade a un elettrone in un forte campo magnetico. Verhagen:"In effetti stiamo simulando un campo magnetico per le particelle prive di carica, i fononi, che compongono un'onda sonora. Siamo i primi ad averlo fatto in una configurazione su scala nanometrica".

Suono senza eco

Un "campo magnetico" per il suono alla fine offrirebbe infinite possibilità per i risonatori su scala nanometrica. "Immaginiamo di creare ogni sorta di onde acustiche esotiche in circuiti su nanoscala orchestrati dalla luce, " Verhagen dice eccitato. "Come un percorso a senso unico per il suono con vibrazioni che non possono echeggiare indietro. O anche un suono equivalente per gli isolanti topologici, con un materiale sfuso impenetrabile per suoni e vibrazioni che vengono trasferiti solo ai bordi. I risonatori nanomeccanici sono sempre più utilizzati come sensori e per elaborare i segnali nei telefoni cellulari. Nuovi modi per controllarli hanno quindi interessanti prospettive per una migliore funzionalità di tali dispositivi. Ma soprattutto, i nostri risultati sono rilevanti per una comprensione fondamentale delle onde sonore. La scoperta di come si comportano gli elettroni in un campo magnetico ha portato a diverse scoperte vincitrici del premio Nobel, come l'effetto Quantum Hall, e sta alla base delle proprietà speciali del grafene e delle particelle di Majorana. Chissà quale affascinante comportamento del suono un campo magnetico potrebbe rivelare nel prossimo futuro."