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“拓扑超材料”能以指数级放大声波

文章来源：贤集网更新时间：2024-05-09 15:16:29

AMOLF的研究人员与来自德国、瑞士和奥地利的同事合作，发现了一种新型的超材料，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。这一发现于3月27日发表在著名的科学杂志《自然》上，是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实现的。

什么是拓扑材料？

拓扑材料中最有趣的是拓扑绝缘体，它们的内部绝缘但表面导电。这类材料中的电子导电通道非常稳定，对实验中可能遇到的一些外部干扰不敏感，例如弱无序或温度波动，也不依赖于材料的尺寸。以上特性很有趣，因为这意味着这类材料具有恒定的电阻和电导率。可对电流进行如此严格的控制对于许多应用都很有用。

最著名的拓扑绝缘体例子可能是砷化镓，它是一种二维半导体，常用于整数量子霍尔效应的实验中。在新一代拓扑绝缘体中，最著名的是硒化铋，但并未引起像砷化镓那样的广泛关注。(译者注：整数量子霍尔效应中用到的是GaAs和AlGaAs生长成的异质结，用该量子阱去限制电子成为二维电子气。)

当物理遇见拓扑：打开一扇窗

上世纪80年代初，物理学家第一次把宏观的观测量——霍尔电导和数学上的拓扑不变量联系起来，给出了量子霍尔效应的拓扑诠释。

在南京大学物理学院教授万贤纲看来，这为物理学打开了一扇全新的窗户。2016年诺贝尔物理学奖，就授予了在拓扑物理学方面有开创性贡献的3位理论物理学家。

20多年间，科学家进一步发现在不同的维度和对称性下，还存在着各种各样的描述电子波函数结构的宏观量子数，即拓扑不变量。而具有非零的拓扑不变量的材料，就被称为拓扑材料。

“拓扑材料都有着新奇的表面态。”中科院物理所研究员方辰介绍说。

比如，二维拓扑绝缘体的表面态被称为螺旋表面态，当电子处在这样的状态时，它在前进过程中不会被杂质散射，因此原则上利用这一特点可以实现无能耗的传输。这让拓扑材料成为实现超低功耗电子元件的候选者。

又如具有拓扑性质的超导材料（简称拓扑超导体），这类材料的边界态被称为“马约拉纳零模”。它们在量子统计上具有特殊性质，被认为是实现量子计算机的可能的物理基础。

越来越多的科学家开始意识到，拓扑材料可能比预期的更加普遍和新奇。它们近在眼前，只是没想到好的方法去寻找它们。

光学弹簧

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。

指数放大

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（即通过阵列传播的机械振动）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，如果波延迟一点——振荡周期的四分之一——行为就会完全反转：信号向后放大，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。

拓扑超材料

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。

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研究人员与理论合作者Clara Wanjura（马克斯·普朗克光科学研究所），Matteo Brunelli（巴塞尔大学），Javier del Pino（苏黎世联邦理工学院）和Andreas Nunnenkamp（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阶段。

观测到的定向放大是一种与物质相相关的拓扑现象，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，以至于它形成了一条“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，类似于激光中产生的强光束。

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