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2024-03-28 09:58:29
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AMOLF の研究者は、ドイツ、スイス、オーストリアのパートナーと協力して、音波が前例のない方法で流れる新しいタイプのメタマテリアルを実現しました。 これは、機械振動を増幅する新しい形式を提供し、センサー技術や情報処理デバイスを向上させる可能性があります。 このメタマテリアルは、いわゆる「ボソン キタエフ チェーン」の最初の例であり、トポロジカル マテリアルとしての性質から特別な特性が得られます。 これは、ナノメカニカル共振器を放射圧力を通じてレーザー光と相互作用させることによって実現されました。 3月27日に有名な科学誌ネイチャーに掲載されるこの発見は、AMOLF、マックス・プランク光科学研究所、バーゼル大学、チューリッヒ工科大学、ウィーン大学の国際協力によって達成された。
「キタエフチェーン」は、超伝導材料、特にナノワイヤ内の電子の物理学を記述する理論モデルです。 このモデルは、そのようなナノワイヤの端に特別な励起、マヨラナ ゼロ モードの存在を予測することで有名です。 これらは、量子コンピューターで使用できる可能性があるため、強い関心を集めています。 AMOLF グループのリーダー Ewold Verhagen 氏: 「私たちは、数学的には同一に見えるが、電子ではなく光や音のような波を記述するモデルに興味がありました。 このような波はフェルミ粒子 (電子) ではなくボソン (光子またはフォノン) で構成されているため、その挙動は大きく異なると予想されます。 それにもかかわらず、2018年には、ボソンのキタエフ鎖が、これまで天然物質やメタマテリアルでは知られていない興味深い挙動を示すことが予測されました。 多くの科学者が興味を持っていましたが、実験的な実現は依然として困難でした。」
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光学ばね
ボソンのキタエフチェーンは本質的には結合した共鳴器のチェーンです。 これはメタマテリアル、つまり工学的な特性を備えた合成材料です。共振器は材料の「原子」と考えることができ、それらがどのように結合するかによって集合的なメタマテリアルの動作が制御されます。 この場合、チェーンに沿った音波の伝播です。 「ボソンのキタエフ連鎖の連結部分であるカップリングは特別なものである必要があり、たとえば通常のバネでは作ることができません」と、ネイチャー論文の筆頭著者で昨年首席で卒業したジェシー・スリム氏は言う。 「私たちは、ナノメカニカル共振器（チップ上の小さな振動シリコンストリング）間に必要なリンクを、光によって及ぼされる力の助けを借りて結合することによって実験的に作成できることに気づきました。 したがって、「光学的」スプリングが作成されます。 レーザーの強度を時間の経過とともに慎重に変化させることで、5 つの共振器をリンクし、ボソニックキタエフチェーンを実装することが可能になりました。」
指数関数的増幅
その結果は驚くべきものでした。 「光結合は数学的にフェルミオンのキタエフ鎖の超伝導リンクに似ています」とバーハーゲン氏は言う。 「しかし、非荷電ボソンは超伝導を示さない。 代わりに、光結合によりナノメカニカル振動が増幅されます。 その結果、アレイ内を伝播する機械的振動である音波は、一方の端からもう一方の端まで指数関数的に増幅されます。 興味深いことに、逆方向への振動の伝達は禁止されています。 そしてさらに興味深いことに、波が少し（発振周期の 4 分の 1 だけ）遅れると、動作は完全に逆転します。信号は後方に増幅され、前方にブロックされます。 したがって、ボソンのキタエフ連鎖は独特のタイプの指向性増幅器のように機能し、特に量子技術における信号操作に興味深い応用が可能になる可能性がある。」
トポロジカルメタマテリアル
電子キタエフ連鎖におけるマヨラナ ゼロ モードの興味深い特性は、材料がトポロジカルであるという事実に関連しています。 トポロジカル材料では、特定の現象が常に材料の一般的な数学的記述に関連付けられています。 これらの現象はトポロジー的に保護されます。つまり、材料に欠陥や摂動があったとしても、それらの現象が存在することが保証されます。 トポロジカル材料の理解は 2016 年にノーベル物理学賞を受賞しましたが、これには増幅や減衰を特徴としない材料のみが含まれていました。 増幅を含むトポロジカル位相の説明は、依然として熱心な研究と議論の対象となっています。 AMOLFの研究者らは、理論協力者のクララ・ワンジュラ氏（マックス・プランク光科学研究所）、マッテオ・ブルネッリ氏（バーゼル大学）、ハビエル・デル・ピノ氏（チューリッヒ工科大学）、アンドレアス・ヌネンカンプ氏（ウィーン大学）とともに、ボソンのキタエフが鎖は実際、物質の新しい位相です。 理論協力者らが 2020 年に予測したように、観察された方向性増幅は、物質のこの相に関連するトポロジカル現象です。彼らは、メタマテリアルのトポロジカルな性質を示すユニークな実験的特徴を実証しました。つまり、鎖が閉じていて「ネックレス」を形成している場合です。共振器のリング内で増幅された音波は循環を続け、レーザーで強い光線が生成されるのと同じように、非常に高い強度に達します。
センサーの性能を向上させるには？
ヴァーハーゲン氏: 「トポロジカル保護により、増幅は原理的に外乱の影響を受けません。 しかし興味深いことに、このチェーンは実際には、ある特定の種類の外乱に対して非常に敏感です。 チェーン上の最後の共振器の周波数がわずかに乱れると、チェーンに沿って増幅された信号が突然再び逆方向に移動し、再び増幅される可能性があります。 その結果、このシステムは、共振器に付着した分子の質量や共振器と相互作用する量子ビットによって引き起こされる可能性のある、このような小さな摂動に対して非常に敏感であることがわかりました。」
Verhagen 氏は、最近取得した ERC Consolidator Grant を利用して、これらのシステムにおけるナノメカニカル センサーの感度を高める可能性を調査したいと考えています。 「私たちの実験ではセンシング能力の最初の兆候が見られ、非常に興奮しています。 今後、これらのトポロジカル センサーがどのように機能するか、さまざまな種類のノイズ源の存在下で感度が向上するかどうか、およびどの興味深いセンサー テクノロジーがこれらの原理から恩恵を受けることができるかについて、より詳細に調査する必要があります。 これはその取り組みの始まりにすぎません。」
参照: Slim JJ、Wanjura CC、Brunelli M、Del Pino J、Nunnenkamp A、Verhagen E。ボソンのキタエフ連鎖の光機械的実現。 自然。 2024;627(8005):767-771。 土井： 10.1038/s41586-024-07174-w
この記事は下記より転載させていただきました 材料。 注: 資料は長さや内容が編集されている場合があります。 詳細については、引用元に問い合わせてください。
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