Международная команда ученых разработала новый тип метаматериала — первый экземпляр бозонной цепи Китаева. С помощью пяти наномеханических резонаторов звуковые волны переходят от одного конца цепи к другому и усиливаются в геометрической прогрессии. Интенсивные звуковые волны циркулируют в кольце резонаторов и достигают сверхвысокой интенсивности. В будущем бозонная цепь Китаева может применяться в квантовой физике и позволит улучшить устройства обработки информации. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Цепочка Китаева — это теоретическая модель, описывающая физику электронов в сверхпроводящем материале, в частности в нанопроволоке. Она предсказывает существование особых возбуждений на концах проволоки и вызывает интерес ученых — возможно, эти возбуждения можно использовать в квантовых компьютерах. Цепочка Китаева может описывать и электроны, и волны, подобные свету или звуку. Поскольку эти волны состоят из частиц бозонов, а не из электронов, их поведение может быть другим.
Международная команда ученых решила разработать метаматериал, в котором звуковые волны будут управляться коллективным поведением резонаторов. Бозонную цепочку Китаева исследователи представили в виде цепочки связанных резонаторов. Звенья этой цепи нельзя было изготовить с помощью обычных пружин, поэтому ученые создали наномеханические резонаторы — маленькие вибрирующие кремниевые струны на чипе — и соединили их через лазер, представив тем самым «оптические» пружины. Меняя интенсивность лазера, ученые соединили пять резонаторов и изготовили первый экземпляр бозонной цепи Китаева.
Движение волн по цепи поразило ученых. Оптическая связь усилила наномеханические колебания, и звуковые волны усиливались от одного конца цепи к другому в геометрической прогрессии. Эти свойства проявляются благодаря топологическому материалу цепи — он обладает устойчивыми и нестандартными поверхностными электронными свойствами. Ученые заявили, что бозонная цепь Китаева — новая топологическая фаза материи. Это доказывается строением цепи: она замкнута по типу ожерелья. Усиленные звуковые волны продолжают циркулировать в кольце резонаторов и достигают сверхвысокой интенсивности, аналогично тому, как световые лучи генерируются в лазерах.
«Благодаря топологической защите усиление нечувствительно к разным помехам. Однако цепочка чувствительна к одному конкретному типу помех: если частота последнего резонатора в цепочке слегка возмущена, усиленные сигналы по цепочке могут внезапно снова передаваться в обратном направлении, испытывая усиление во второй раз. Небольшое возмущение может быть вызвано массой молекулы, прилипшей к резонатору, или взаимодействующим с ним кубитом», — рассказал Эвольд Верхаген, соавтор исследования из научно-исследовательского института AMOLF (Нидерланды).
Бозонная цепочка Китаева действует как уникальный направленный усилитель механических вибраций, который может применяться в квантовой физике и улучшить устройства обработки информации. В будущем ученые планируют узнать, как повысить чувствительность наномеханических датчиков в цепи Китаева с помощью разных типов источников шума.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
