13 jun. 2022
4 minuten
Met behulp van een netwerk van met licht aangestuurde vibrerende nanosnaren hebben onderzoekers van Amolf geluidsgolven in een bepaalde onomkeerbare richting laten bewegen en de golven voor het eerst gecontroleerd afgezwakt of versterkt. Dit geeft aanleiding tot een lasereffect voor geluid. Tot hun verbazing ontdekten ze nieuwe mechanismen, zogenaamde ‘geometrische fasen’, waarmee ze geluid kunnen manipuleren en verzenden in systemen waar dat voor onmogelijk werd gehouden.
"Dit opent de weg naar nieuwe soorten (meta)materialen met eigenschappen die we nog niet kennen van bestaande materialen", zegt groepsleider Ewold Verhagen die de resultaten samen met eerste auteurs Javier del Pino en Jesse Slim publiceerde in Nature.
De reactie van elektronen en andere geladen deeltjes op magnetische velden leidt tot veel unieke verschijnselen in materialen. "We wilden al heel lang weten of op geluid, dat geen lading heeft, een effect kan worden bereikt vergelijkbaar met een magnetisch veld op elektronen", zegt Verhagen. "De invloed van een magnetisch veld op elektronen heeft een grote impact: een elektron in een magnetisch veld kan bijvoorbeeld niet langs hetzelfde pad in de tegenovergestelde richting bewegen. Dit principe ligt aan de basis van verschillende exotische fenomenen op nanometerschaal, zoals het kwantum Hall-effect en het functioneren van topologische isolatoren. Voor veel toepassingen zou het handig zijn als we hetzelfde zouden kunnen bereiken voor trillingen en geluidsgolven en daarmee de symmetrie van hun voortplanting te doorbreken, zodat het niet meer tijdomkeersymmetrisch is."
Magnetisch veld voor geluid
In tegenstelling tot elektronen hebben mechanische trillingen geen lading en reageren ze dus niet op magnetische velden. Ze zijn echter gevoelig voor de stralingsdruk van licht. De groep van Verhagen gebruikte daarom laserlicht om mechanische nano-resonatoren te beïnvloeden. In 2020 gebruikten ze dezelfde trillende snaren om aan te tonen dat de tijdomkeringssymmetrie kan worden verbroken voor geluid dat van de ene resonator naar de andere springt: de geluidsoverdracht van de ene snaar naar de andere is anders dan in de tegenovergestelde richting. "We hebben nu laten zien dat als we een netwerk maken van meerdere vibrerende nanosnaren, we een scala aan onconventionele trillingspatronen kunnen realiseren door de snaren te belichten met laserlicht", stelt Verhagen. "We zijn er bijvoorbeeld in geslaagd om geluidsdeeltjes (fononen) in een enkele richting te laten bewegen op dezelfde manier als elektronen in het kwantum Hall-effect."
Versterking
De onderzoekers realiseerden zich dat ze de stralingsdruk ook konden gebruiken om de versterking en demping van het geluid te regelen. "Dat werkt op dezelfde manier als een kind op een schommel die op het juiste moment zijn beentjes uitsteekt of terugtrekt", zegt Verhagen. "Een dergelijke versterking of verzwakking is niet mogelijk voor elektronen in een magnetisch veld."
De onderzoekers deden experimenten waarbij het rijdende licht de geluidsgolven versterkt en er tegelijkertijd voor zorgt dat deze een effect ervaren dat lijkt op dat van een magnetisch veld. "We ontdekten dat de combinatie van versterking en het doorbreken van de tijdomkeringssymmetrie leidt tot een reeks nieuwe en onverwachte fysieke effecten", zegt Verhagen. "Allereerst bepaalt laserlicht de richting waarin het geluid wordt versterkt. In de andere richting wordt het geluid geblokkeerd. Dit wordt veroorzaakt door een geometrische fase: een grootheid die aangeeft in welke mate de geluidsgolf wordt verschoven als deze door het netwerk van nanostrings gaat, in dit geval veroorzaakt door de stralingsdruk. Ons experiment stelde ons in staat om die geometrische fase volledig te controleren en te veranderen. Daarnaast hebben we de stralingsdruk van het laserlicht gebruikt om het geluid te versterken. Dat geluid kan zelfs spontaan gaan oscilleren, zoals licht in een laser. We ontdekten dat de geometrische fase die we toepassen bepaalt of dat gebeurt of niet, en met welke versterkingskracht."
Nieuwe materialen
De onderzoekers ontdekten dat nieuwe geometrische fasen gerealiseerd konden worden in systemen waar dat niet mogelijk werd geacht. In al deze hebben de fasen invloed op de versterking, richting en toonhoogte van de geluidsgolven. "Geometrische fasen zijn belangrijk in veel takken van de natuurkunde en beschrijven het gedrag van verschillende systemen en materialen. In combinatie met magnetische velden kunnen ze leiden tot een topologische isolator voor elektronen, maar welke eigenschappen een ‘klank’-variant op basis van de ontdekte principes zou kunnen hebben, moeten we nog leren. We weten echter wel dat dit niet zal lijken op wat we al weten", stelt Verhagen. "We zouden de effecten verder kunnen onderzoeken door meer nanosnaren te koppelen in akoestische ‘metamaterialen’ die we aansturen met licht. Maar de effecten die we hebben waargenomen, zouden van toepassing moeten zijn op een reeks golven zonder lading, waaronder licht, microgolven, koude atomen, enzovoort. We verwachten dat het met de nieuwe mechanismen die we hebben ontdekt, mogelijk zal zijn om nieuwe (meta)materialen te maken met eigenschappen die we nog niet kennen van bestaande materialen."
Dergelijke materialen en systemen hebben ongebruikelijke eigenschappen die nuttige toepassingen kunnen hebben. Verhagen: "Het is nog te vroeg om een compleet overzicht te geven van de mogelijkheden. We kunnen echter al enkele mogelijke richtingen herkennen. Een unidirectionele versterker voor golven zou bijvoorbeeld nuttige toepassingen kunnen hebben in kwantumcommunicatie. We zouden sensoren ook veel gevoeliger kunnen maken door de tijdomkeringssymmetrie te doorbreken."
Anderen lazen ook
