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“拓?fù)涑牧稀蹦芤灾笖?shù)級(jí)放大聲波
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2024-05-09 15:16:29
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AMOLF的研究人員與來自德國(guó)、瑞士和奧地利的同事合作，發(fā)現(xiàn)了一種新型的超材料，聲波以前所未有的方式流過。它提供了一種新穎的機(jī)械振動(dòng)放大形式，具有改進(jìn)傳感器技術(shù)和信息處理設(shè)備的潛力。 這種超材料是所謂的“玻色子基塔耶夫鏈”的第一個(gè)實(shí)例，它的特殊性質(zhì)來自其作為拓?fù)洳牧系男再|(zhì)。它是通過使納米機(jī)械諧振器通過輻射壓力與激光相互作用來實(shí)現(xiàn)的。這一發(fā)現(xiàn)于3月27日發(fā)表在著名的科學(xué)雜志《自然》上，是AMOLF、馬克斯·普朗克光科學(xué)研究所、巴塞爾大學(xué)、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和維也納大學(xué)之間的國(guó)際合作實(shí)現(xiàn)的。 什么是拓?fù)洳牧希?/span> 拓?fù)洳牧现凶钣腥さ氖峭負(fù)浣^緣體，它們的內(nèi)部絕緣但表面導(dǎo)電。這類材料中的電子導(dǎo)電通道非常穩(wěn)定，對(duì)實(shí)驗(yàn)中可能遇到的一些外部干擾不敏感，例如弱無序或溫度波動(dòng)，也不依賴于材料的尺寸。以上特性很有趣，因?yàn)檫@意味著這類材料具有恒定的電阻和電導(dǎo)率。可對(duì)電流進(jìn)行如此嚴(yán)格的控制對(duì)于許多應(yīng)用都很有用。 最著名的拓?fù)浣^緣體例子可能是砷化鎵，它是一種二維半導(dǎo)體，常用于整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中。在新一代拓?fù)浣^緣體中，最著名的是硒化鉍，但并未引起像砷化鎵那樣的廣泛關(guān)注。(譯者注：整數(shù)量子霍爾效應(yīng)中用到的是GaAs和AlGaAs生長(zhǎng)成的異質(zhì)結(jié)，用該量子阱去限制電子成為二維電子氣。) 當(dāng)物理遇見拓?fù)洌捍蜷_一扇窗 上世紀(jì)80年代初，物理學(xué)家第一次把宏觀的觀測(cè)量——霍爾電導(dǎo)和數(shù)學(xué)上的拓?fù)洳蛔兞柯?lián)系起來，給出了量子霍爾效應(yīng)的拓?fù)湓忈尅?/span> 在南京大學(xué)物理學(xué)院教授萬賢綱看來，這為物理學(xué)打開了一扇全新的窗戶。2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，就授予了在拓?fù)湮锢韺W(xué)方面有開創(chuàng)性貢獻(xiàn)的3位理論物理學(xué)家。 20多年間，科學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在不同的維度和對(duì)稱性下，還存在著各種各樣的描述電子波函數(shù)結(jié)構(gòu)的宏觀量子數(shù)，即拓?fù)洳蛔兞俊６哂蟹橇愕耐負(fù)洳蛔兞康牟牧希捅环Q為拓?fù)洳牧稀?/span> “拓?fù)洳牧隙加兄缕娴谋砻鎽B(tài)。”中科院物理所研究員方辰介紹說。 比如，二維拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)被稱為螺旋表面態(tài)，當(dāng)電子處在這樣的狀態(tài)時(shí)，它在前進(jìn)過程中不會(huì)被雜質(zhì)散射，因此原則上利用這一特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)無能耗的傳輸。這讓拓?fù)洳牧铣蔀閷?shí)現(xiàn)超低功耗電子元件的候選者。 又如具有拓?fù)湫再|(zhì)的超導(dǎo)材料（簡(jiǎn)稱拓?fù)涑瑢?dǎo)體），這類材料的邊界態(tài)被稱為“馬約拉納零模”。它們?cè)诹孔咏y(tǒng)計(jì)上具有特殊性質(zhì)，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的可能的物理基礎(chǔ)。 越來越多的科學(xué)家開始意識(shí)到，拓?fù)洳牧峡赡鼙阮A(yù)期的更加普遍和新奇。它們近在眼前，只是沒想到好的方法去尋找它們。 光學(xué)彈簧 玻色子基塔耶夫鏈實(shí)質(zhì)上是一串耦合諧振器。它是一種超材料，即具有工程性質(zhì)的合成材料。諧振器可被認(rèn)為是材料的“原子”，它們耦合在一起的方式控制著集體超材料的行為，在這種情況下，聲波沿著鏈條傳播。 研究人員表示，耦合器的鏈節(jié)必須用特殊彈簧制成。他們借助光施加的力在納米機(jī)械諧振器之間創(chuàng)建所需的鏈接，將它們耦合起來，從而創(chuàng)造出“光學(xué)”彈簧。研究人員調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度，可以連接5個(gè)諧振器，并實(shí)現(xiàn)玻色子基塔耶夫鏈。 指數(shù)放大 結(jié)果是驚人的。 “光學(xué)耦合在數(shù)學(xué)上類似于費(fèi)米子Kitaev鏈中的超導(dǎo)鏈接，”Verhagen說。“但是不帶電的玻色子不表現(xiàn)出超導(dǎo)性;相反，光耦合增加了納米機(jī)械振動(dòng)的放大。結(jié)果，聲波（即通過陣列傳播的機(jī)械振動(dòng)）從一端到另一端呈指數(shù)放大。有趣的是，在相反的方向上，振動(dòng)的傳播是被禁止的。更有趣的是，如果波延遲一點(diǎn)——振蕩周期的四分之一——行為就會(huì)完全反轉(zhuǎn)：信號(hào)向后放大，向前受阻。因此，玻色子Kitaev鏈就像一種獨(dú)特的定向放大器，它可以在信號(hào)操縱方面有有趣的應(yīng)用，特別是在量子技術(shù)中。 拓?fù)涑牧?/span> 進(jìn)一步研究還證明，玻色子基塔耶夫鏈實(shí)際上是物質(zhì)的一中新拓?fù)湎唷?/span> 電子Kitaev鏈中馬約拉納零模的有趣特性與材料是拓?fù)涞倪@一事實(shí)有關(guān)。在拓?fù)洳牧现校承┈F(xiàn)象總是與材料的一般數(shù)學(xué)描述有關(guān)。然后，這些現(xiàn)象受到拓?fù)浔Ｗo(hù)，這意味著即使材料存在缺陷和擾動(dòng)，它們也可以保證存在。 對(duì)拓?fù)洳牧系睦斫庠?016年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但這僅包括不具有放大或阻尼功能的材料。對(duì)包括擴(kuò)增在內(nèi)的拓?fù)湎嗟拿枋鋈匀皇且粋€(gè)激烈的研究和爭(zhēng)論的話題。AMOLF研究人員與理論合作者Clara Wanjura（馬克斯·普朗克光科學(xué)研究所），Matteo Brunelli（巴塞爾大學(xué)），Javier del Pino（蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）和Andreas Nunnenkamp（維也納大學(xué)）一起表明，玻色子Kitaev鏈實(shí)際上是物質(zhì)的一個(gè)新拓?fù)潆A段。 觀測(cè)到的定向放大是一種與物質(zhì)相相關(guān)的拓?fù)洮F(xiàn)象，正如理論合作者在2018年預(yù)測(cè)的那樣。他們展示了超材料拓?fù)湫再|(zhì)的獨(dú)特實(shí)驗(yàn)特征：如果鏈?zhǔn)情]合的，以至于它形成了一條“項(xiàng)鏈”，諧振器環(huán)中的放大聲波會(huì)繼續(xù)循環(huán)并達(dá)到非常高的強(qiáng)度，類似于激光中產(chǎn)生的強(qiáng)光束。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_547473.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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