В сети вибрирующих нанострун радиационное давление лазерного света заставляет звуковые волны двигаться только в одном направлении по сети и в то же время усиливает вибрации. Предоставлено: Рикардо Струик (AMOLF)

«Это открывает путь к новым типам (мета)материалов со свойствами, которые мы еще не знаем из существующих материалов», — говорит руководитель группы Эволд Верхаген, который вместе с общими первыми авторами Хавьером дель Пино и Джесси Слимом публикует удивительные результаты на 2 июня на природе.

Реакция электронов и других заряженных частиц на магнитные поля приводит к множеству уникальных явлений в материалах. «В течение долгого времени мы хотели знать, можно ли добиться эффекта, подобного магнитному полю на электронах, на звуке, который не имеет заряда, — говорит Верхаген. — Влияние магнитного поля на электроны оказывает широкое влияние: например, электрон в магнитном поле не может двигаться по тому же пути в противоположном направлении. Этот принцип лежит в основе различных экзотических явлений в нанометровом масштабе, таких как квантовый эффект Холла и функционирование топологических изоляторов (материалов, которые идеально проводят ток по краям, а не в объеме). Для многих приложений было бы полезно, если бы мы могли добиться того же для вибраций и звуковых волн и, следовательно, нарушить симметрию их распространения, чтобы оно больше не было симметричным по отношению к обращению времени».

Магнитное поле для звука

В отличие от электронов механические колебания не имеют заряда и поэтому не реагируют на магнитные поля. Однако они чувствительны к радиационному давлению света . Поэтому группа Верхагена использовала лазерный свет для воздействия на механические нанорезонаторы. В 2020 году они использовали те же самые вибрирующие струны, чтобы продемонстрировать, что симметрия обращения времени может быть нарушена для звука, перескакивающего с одного резонатора на другой: передача звука от одной струны к другой отличается от передачи звука в противоположном направлении. Смотрите также новостьот 3 февраля 2020 года. «Теперь мы показали, что если мы создадим сеть из нескольких вибрирующих нанострун, мы сможем реализовать ряд нетрадиционных моделей колебаний, освещая струны лазерным светом», — заявляет Верхаген. «Например, нам удалось заставить звуковые частицы (фононы) двигаться в одном направлении так же, как электроны в квантовом эффекте Холла».

Усиление

Исследователи поняли, что они также могут использовать радиационное давление для управления усилением и ослаблением звука. «Это похоже на то, как ребенок на качелях вытягивает или отводит ноги в нужный момент», — объясняет Верхаген. «Такое усиление или ослабление электронов в магнитном поле невозможно».

Исследователи поняли, что могут использовать радиационное давление для управления усилением и ослаблением звука. Это работает так же, как этот ребенок на качелях вытягивает или отводит ноги в нужный момент. Кредит: Петра Клеркс

Исследователи были первыми, кто провел эксперименты, в которых дальний свет усиливает звуковые волны, в то же время гарантируя, что они испытывают эффект, аналогичный эффекту магнитного поля .. «Мы обнаружили, что сочетание усиления и нарушения симметрии обращения времени приводит к ряду новых и неожиданных физических эффектов», — говорит Верхаген. «Во-первых, лазерный свет определяет направление, в котором звук усиливается. В другом направлении звук блокируется. Это вызвано геометрической фазой: величиной, указывающей, до какой степени смещается звуковая волна по мере ее распространения проходит через сеть нанострун, что в данном случае вызвано радиационным давлением. Наш эксперимент позволил нам полностью контролировать и изменить эту геометрическую фазу. Кроме того, мы использовали радиационное давление лазерного лучадля усиления звука. Этот звук может даже спонтанно начать колебаться, как свет в лазере. Мы обнаружили, что геометрическая фаза, которую мы применяем, определяет, произойдет это или нет, и с какой силой усиления».

Новые материалы

Исследователи обнаружили, что новые геометрические фазы могут быть реализованы в системах, где это считалось невозможным. Во всех этих случаях фазы влияют на усиление, направление и высоту звуковых волн .. «Геометрические фазы важны во многих разделах физики, описывая поведение различных систем и материалов. В сочетании с магнитными полями они могут привести к топологическому изолятору для электронов, но какие свойства может иметь «звуковой» вариант, основанный на открытых принципах? Есть то, чему нам еще нужно научиться. Однако мы знаем, что это не будет похоже ни на что из того, что мы знаем», — заявляет Верхаген. «Мы могли бы дополнительно исследовать эффекты, соединив больше нанострун в акустических «метаматериалах», которыми мы управляем с помощью света. Но эффекты, которые мы наблюдали, должны применяться к диапазону волн без заряда, включая свет, микроволны, холодные атомы и т. д. и т. д. Мы ожидаем, что с новыми открытыми механизмами,

Такие материалы и системы обладают необычными свойствами, которые могут найти полезное применение. Верхаген: «Еще слишком рано давать полный обзор возможностей. Тем не менее, мы уже можем распознать некоторые потенциальные направления. Например, однонаправленный усилитель волн может найти полезное применение в квантовой связи чувствителен, нарушая симметрию обращения времени».