Topologisch metamateriaal versterkt geluidsgolven exponentieel en directioneel – met één uitzondering

Een metamateriaal waar geluidsgolven op een ongekende manier doorheen stromen, biedt een vorm van versterking van mechanische trillingen die sensoren en informatieverwerkende apparaten kan gaan verbeteren.

Het materiaal is het eerste voorbeeld van een zogenaamde ‘bosonische Kitaev-keten’, die zijn speciale eigenschappen ontleent aan zijn aard als topologisch materiaal. Het werd gerealiseerd door nanomechanische resonatoren te laten interageren met laserlicht door middel van stralingsdrukkrachten.

De ontdekking, die is gepubliceerd in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Nature, is gedaan in een internationale samenwerking tussen Amolf, het Max Planck Institute, en de universiteiten van Basel, Zürich en Wenen.

De ‘Kitaev-keten’ is een theoretisch model dat de fysica van elektronen in een supergeleidend materiaal beschrijft, met name een nanodraad. Het model is beroemd omdat het het bestaan van speciale excitaties aan de uiteinden van zo’n nanodraad voorspelt: Majorana nulmodes. Deze hebben veel belangstelling gekregen vanwege hun mogelijke gebruik in kwantumcomputers.

Amolfs groepsleider Ewold Verhagen: “We waren geïnteresseerd in een model dat er wiskundig identiek uitziet, maar golven zoals licht of geluid beschrijft, in plaats van elektronen. Omdat zulke golven bestaan uit bosonen in plaats van fermionen, is hun gedrag naar verwachting heel anders. Toch werd in 2018 voorspeld dat een bosonische Kitaev-keten fascinerend gedrag vertoont dat tot nu toe van geen enkel natuurlijk materiaal of metamateriaal bekend is. Hoewel veel wetenschappers geïnteresseerd waren, bleef experimentele realisatie ongrijpbaar.”

Optische veren

De bosonische Kitaev-keten is in wezen een keten van gekoppelde resonatoren. Het is een metamateriaal, d.w.z. een synthetisch materiaal met kunstmatige eigenschappen: de resonatoren kunnen worden gezien als de ‘atomen’ van een materiaal, en de manier waarop ze aan elkaar zijn gekoppeld bepaalt het collectieve metamateriaalgedrag; in dit geval de voortplanting van geluidsgolven langs de keten.

“De koppelingen – de schakels van de bosonische Kitaev-keten – moeten speciaal zijn en kunnen bijvoorbeeld niet met gewone veren worden gemaakt,” zegt eerste auteur van het Nature-artikel Jesse Slim. “We realiseerden ons dat we de benodigde schakels tussen nanomechanische resonatoren – kleine trillende siliciumsnaren op een chip – experimenteel konden maken door ze te koppelen met behulp van krachten die worden uitgeoefend door licht; zo creëren we ‘optische’ veren. Door de intensiteit van een laser in de tijd zorgvuldig te variëren, konden vervolgens vijf resonatoren aan elkaar worden gekoppeld en kon de bosonische Kitaev-keten worden geïmplementeerd.”

Exponentiële versterking

Het resultaat? “De optische koppeling lijkt wiskundig gezien op de supergeleidende schakels in de fermionische Kitaev-keten,” aldus Verhagen. “Maar ongeladen bosonen vertonen geen supergeleiding; in plaats daarvan voegt optische koppeling versterking toe aan de nanomechanische trillingen. Als gevolg hiervan worden geluidsgolven, die de mechanische trillingen zijn die zich door de array voortplanten, exponentieel versterkt van het ene uiteinde naar het andere.

“Interessant is dat in de tegenovergestelde richting de overdracht van trillingen verboden is. En nog intrigerender, als de golf een beetje wordt vertraagd – met een kwart van een oscillatieperiode – is het gedrag volledig omgekeerd: het signaal wordt naar achteren versterkt en naar voren geblokkeerd. De bosonische Kitaev-keten gedraagt zich dus als een uniek soort directionele versterker, die interessante toepassingen zou kunnen hebben voor signaalmanipulatie, met name in de kwantumtechnologie.”

Topologisch metamateriaal

De interessante eigenschappen van Majorana-nulpunten in de elektronische Kitaev-keten zijn gekoppeld aan het feit dat het materiaal topologisch is. In topologische materialen zijn bepaalde verschijnselen altijd verbonden met de algemene wiskundige beschrijving van het materiaal. Die verschijnselen zijn dan topologisch beschermd, wat betekent dat ze gegarandeerd blijven bestaan, zelfs als het materiaal gebreken en verstoringen vertoont. Het begrip van topologische materialen werd in 2016 bekroond met de Nobelprijs voor natuurkunde, maar dit omvatte alleen materialen die geen versterking of demping vertonen. De beschrijving van topologische fasen met versterking is nog steeds onderwerp van intensief onderzoek en debat.

De onderzoekers toonden aan dat de bosonische Kitaev-keten in feite een nieuwe topologische fase van materie is. De waargenomen richtingversterking is een topologisch fenomeen dat geassocieerd is met deze fase van materie, zoals de theoriemedewerkers in 2020 voorspelden. Ze toonden een unieke experimentele signatuur aan van de topologische aard van het metamateriaal: als de keten gesloten is, zodat hij een ‘ketting’ vormt, blijven versterkte geluidsgolven in de ring van resonatoren circuleren en een zeer hoge intensiteit bereiken, vergelijkbaar met hoe sterke lichtstralen worden gegenereerd in lasers.

Sensorprestaties verbeteren?

Verhagen: “Door topologische bescherming is de versterking in principe ongevoelig voor verstoringen. Maar het interessante is dat de keten juist extra gevoelig is voor één bepaald type verstoring; als de frequentie van de laatste resonator in de keten iets wordt verstoord, kunnen de versterkte signalen langs de keten plotseling weer terug reizen en een tweede keer versterking ondervinden. Het resultaat is dat het systeem erg gevoelig is voor zo’n kleine verstoring, die veroorzaakt zou kunnen worden door de massa van een molecuul dat zich aan de resonator hecht of een qubit die ermee interageert.”

Met de ERC Consolidator Grant die hij onlangs verwierf, wil Verhagen de mogelijkheden onderzoeken om de gevoeligheid van nanomechanische sensoren in deze systemen te vergroten. “We hebben de eerste aanwijzingen van de sensormogelijkheden gezien in onze experimenten, wat erg opwindend is. We moeten nu in meer detail onderzoeken hoe deze topologische sensoren werken, of de gevoeligheid wordt verhoogd in aanwezigheid van verschillende soorten ruisbronnen en welke interessante sensortechnologieën van deze principes kunnen profiteren. Dit is nog maar het begin.”