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Nuovi materiali topologici amplificano notevolmente le onde sonore

Nuovi materiali topologici amplificano notevolmente le onde sonore

Nell’ambito di una collaborazione internazionale, gli scienziati dell’istituto di ricerca olandese AMOLF hanno sviluppato un nuovo metamateriale attraverso il quale le onde sonore possono propagarsi in un modo completamente nuovo. Il metamateriale amplifica le vibrazioni meccaniche in una forma precedentemente sconosciuta, che ha il potenziale per migliorare le tecnologie di rilevamento e di elaborazione delle informazioni. Questo metamateriale è il primo rappresentante della cosiddetta serie bossoniana di Kitaev, le cui proprietà speciali derivano dalla sua natura di materiale topologico.

Rappresentazione artistica della corda bosonica di Kitaev: diversi risonatori meccanici di corde sono collegati in serie tramite la luce. Le vibrazioni meccaniche (onde sonore) vengono trasmesse lungo la corda e amplificate.

Per raggiungere questo obiettivo, il gruppo di ricerca ha fatto interagire risonatori nanomeccanici con la luce laser utilizzando forze di pressione radiativa. La scoperta, pubblicata sulla rivista Nature, è il risultato di una collaborazione internazionale tra AMOLF, l'Istituto Max Planck per la fisica della luce di Erlangen, l'Università di Basilea, l'ETH di Zurigo e l'Università di Vienna.

La “serie Kitaev” è un modello teorico che descrive la fisica degli elettroni nei materiali superconduttori, in particolare nei nanofili. Questo modello è particolarmente importante perché prevede stati eccitati speciali alle estremità di un tale nanofilo: i modi zero di Majorana. Sono di grande interesse per il loro potenziale utilizzo nei computer quantistici. Il leader del gruppo AMOLF Ewald Verhagen: “Eravamo interessati a un modello con una struttura matematica identica, ma che descrive onde come la luce o il suono e non elettroni. Perché queste onde sono fatte di bosoni (fotoni o fononi) e non di fermioni (elettroni) , si presumeva che si sarebbero comportati in modo diverso. Già nel 2018 si pensava che la “stringa di Bossian Kitaev” avrebbe mostrato un comportamento notevole che non era ancora noto in nessuna materia naturale o metamateriale. Molti ricercatori erano molto interessati a dimostrarlo , ma l’implementazione sperimentale sembrava sfuggente.

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Piume visive

La “serie bosonica di Kitaev” è fondamentalmente una serie di risonatori accoppiati. È un metamateriale, cioè un materiale sintetico con proprietà artificiali. I risonatori rappresentano gli “atomi” della materia e il modo in cui sono accoppiati insieme controlla il comportamento collettivo della metamateria – in questo caso, la propagazione delle onde sonore lungo la corda. “I giunti – le maglie della catena bosonica di Kitaev – devono soddisfare requisiti speciali e non possono essere prodotti utilizzando molle convenzionali”, afferma il primo autore Jesse Slim. “Ci siamo resi conto che potevamo creare sperimentalmente le connessioni necessarie tra risonatori nanomeccanici – minuscole vibrazioni” di stringhe di silicio su un chip: li colleghiamo utilizzando le forze esercitate dalla luce e creiamo così molle “ottiche”. “Variando attentamente l’intensità del laser, siamo stati in grado di collegare insieme cinque risonatori e creare una “corda Kitaev Bosson”.”

Guadagni enormi

Il risultato ha stupito gli scienziati. “L’accoppiamento ottico è matematicamente simile ai legami superconduttori della serie fermionica di Kitaev”, afferma Verhagen. “Tuttavia, i bosoni non carichi non sono superconduttori; invece, l'accoppiamento ottico amplifica le vibrazioni meccaniche su scala nanometrica. Di conseguenza, le onde sonore, o vibrazioni meccaniche, che si propagano attraverso la disposizione vengono notevolmente amplificate da un'estremità all'altra. È interessante notare che la trasmissione delle oscillazioni in la direzione opposta è vietata. E ciò che è ancora più notevole: se l'onda viene ritardata leggermente – di un quarto del periodo di oscillazione – il comportamento è completamente invertito: il segnale viene amplificato all'indietro e inibito in avanti. La “serie bossoniana di Kitaev” ” agisce quindi come un eccezionale amplificatore direzionale. Potrebbe consentire applicazioni promettenti per l'elaborazione del segnale, soprattutto nella tecnologia quantistica.

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Metamateriali topologici

Le proprietà speciali dei modi zero di Majorana nella serie elettronica Kitaev sono legate al fatto che il materiale è topologico. Nei materiali topologici alcuni fenomeni sono inevitabilmente legati alla descrizione matematica generale del materiale. Questi fenomeni sono topologicamente protetti, ovvero è garantita la loro esistenza anche se il materiale presenta imperfezioni e difetti. Il Premio Nobel per la Fisica 2016 è stato assegnato per la comprensione dei materiali topologici. Tuttavia, si trattava di materiali privi di rinforzo o smorzamento. La descrizione degli stadi topologici coinvolti nell'amplificazione rimane oggetto di intense ricerche e discussioni.

In collaborazione con la teorica Clara Wangora (Istituto Max Planck per la fisica della luce), i teorici Matteo Brunelli (Università di Basilea), Javier Del Pino (ETH di Zurigo) e Andreas Nonenkamp (Università di Vienna), i ricercatori dell’AMOLF hanno dimostrato che “ La serie bosonica di Kitaev” incarna in realtà una nuova topologia della materia. L'amplificazione diretta osservata è un fenomeno topologico legato a questa fase della materia, come i ricercatori avevano già previsto nel 2020. “Per noi, gli esperimenti che riportiamo qui sono una conferma della considerazioni degli ultimi anni”, dice Andreas Nonenkamp dell'Università di Vienna. : “Siamo stati in grado di scoprire una firma unica di questa fase: quando la catena è 'chiusa', simile a un pendente chiuso, le onde sonore amplificate continuano a circolare nell’anello dei risonatori e raggiungono un’intensità molto elevata, simile alla generazione di potenti fasci di luce nei laser”.