גלי קול חסרי תקדים – מטא-חומר חדש מגדיר מחדש את הגברת הגלים

חוקרים ב-AMOLF, שעובדים לצד עמיתים מגרמניה, שוויץ ואוסטריה, הבינו סוג חדש של מטא-חומר שדרכו גלי קול זורמים בצורה חסרת תקדים. הוא מספק צורה חדשה של הגברה של רעידות מכניות, שיש לה פוטנציאל לשפר את טכנולוגיית החיישנים והתקני עיבוד מידע.

מטא-חומר זה הוא המופע הראשון של מה שמכונה 'שרשרת קיטאיב בוזונית', שמקבלת את תכונותיה המיוחדות מהטבע שלה כחומר טופולוגי. זה התממש על ידי יצירת מהודים ננו-מכניים לקיים אינטראקציה עם אור לייזר באמצעות כוחות לחץ קרינה. התגלית, המתפרסמת ב-27 במרץ בכתב העת המדעי הנודע טֶבַעהושג בשיתוף פעולה בינלאומי בין AMOLF, מכון מקס פלנק למדע האור, אוניברסיטת באזל, ETH ציריך ואוניברסיטת וינה.

'שרשרת Kitaev' היא מודל תיאורטי המתאר את הפיזיקה של אלקטרונים בחומר מוליך-על, במיוחד בננו-תיל. המודל מפורסם בכך שהוא ניבא את קיומן של עירורים מיוחדים בקצוות של ננו-חוט כזה: מצבי אפס מיורנה. אלה זכו לעניין רב בגלל השימוש האפשרי שלהם במחשבים קוונטיים.

מנהיג קבוצת AMOLF, Ewold Verhagen: "היינו מעוניינים במודל שנראה זהה מבחינה מתמטית, אבל מתאר גלים כמו אור או קול, במקום אלקטרונים. מכיוון שגלים כאלה מורכבים מבוזונים (פוטונים או פונונים) ולא מפרמיונים (אלקטרונים), התנהגותם צפויה להיות שונה מאוד. אף על פי כן, בשנת 2018 נחזה כי א שרשרת קיטה בוזונית מפגין התנהגות מרתקת שלא ידועה על שום חומר טבעי, ולא על שום מטא-חומר עד היום. בעוד שמדענים רבים התעניינו, המימוש הניסיוני נותר חמקמק."

קפיצים אופטיים

שרשרת Kitaev הבוסונית היא בעצם שרשרת של מהודים מצמודים. זהו מטא-חומר, כלומר, חומר סינטטי בעל תכונות מהונדסות: ניתן לחשוב על התהודה כעל 'אטומים' של חומר, והאופן שבו הם מחוברים יחד שולט בהתנהגות המטה-חומרית הקולקטיבית; במקרה זה התפשטות גלי הקול לאורך השרשרת.

"החיבורים – החוליות של שרשרת Kitaev הבוסונית – צריכים להיות מיוחדים, ואי אפשר לעשות אותם עם קפיצים רגילים, למשל", אומר המחבר הראשון של הספר טֶבַע נייר ג'סי סלים, שסיים בהצטיינות בשנה שעברה. "הבנו שנוכל ליצור באופן ניסיוני את הקישורים הנדרשים בין מהודים ננו-מכאניים – מיתרי סיליקון קטנים רוטטים על שבב – על ידי צימודם בעזרת כוחות המופעלים על ידי האור; ובכך יוצרים קפיצים 'אופטיים'. שינוי זהיר של עוצמת הלייזר לאורך זמן איפשר לקשר בין חמישה מהודים ולהטמיע את שרשרת Kitaev הבוסונית".

הגברה אקספוננציאלית

התוצאה הייתה בולטת.

"הצימוד האופטי דומה מבחינה מתמטית לחוליות המוליכות העל בשרשרת Kitaev הפרמיונית", אומר ורהגן. "אבל בוזונים לא טעונים אינם מפגינים מוליכות-על; במקום זאת, צימוד אופטי מוסיף הגברה לרעידות הננו-מכניות. כתוצאה מכך, גלי קול, שהם הרעידות המכניות המתפשטות דרך המערך, מוגברים בצורה אקספוננציאלית מקצה לקצה. מעניין שבכיוון ההפוך העברת רעידות אסורה. ועוד יותר מסקרן, אם הגל מתעכב מעט – ברבע תקופת תנודה – ההתנהגות מתהפכת לחלוטין: האות מוגבר אחורה ונחסם קדימה. שרשרת Kitaev הבוסונית פועלת אפוא כמו סוג ייחודי של מגבר כיווני, שיכול להיות בעל יישומים מעניינים למניפולציה של אותות, במיוחד בטכנולוגיה קוונטית".

מטא-חומר טופולוגי

התכונות המעניינות של מצבי אפס Majorana בשרשרת Kitaev האלקטרונית קשורות לעובדה שהחומר הוא טופולוגי. בחומרים טופולוגיים, תופעות מסוימות קשורות תמיד לתיאור המתמטי הכללי של החומר. תופעות אלו מוגנות טופולוגית, כלומר מובטחת קיומן, גם אם החומר סובל מפגמים והפרעות.

ההבנה של חומרים טופולוגיים זכתה בפרס נובל לפיזיקה בשנת 2016, אך זה כלל רק חומרים שאינם כוללים הגברה או שיכוך. התיאור של שלבים טופולוגיים שכוללים הגברה הוא עדיין נושא של מחקר ודיונים אינטנסיביים. יחד עם משתפי הפעולה בתיאוריה קלרה וואנג'ורה (מכון מקס פלאנק למדע האור), מתאו ברונל (אוניברסיטת באזל), חאבייר דל פינו (ETH ציריך), ואנדראס נוננקמפ (אוניברסיטת וינה), הראו חוקרי AMOLF כי קיטאיב הבוזוניק השרשרת היא למעשה שלב טופולוגי חדש של החומר.

ההגברה הכיוונית הנצפית היא תופעה טופולוגית הקשורה לשלב זה של החומר, כפי שחזו משתפי התיאוריה ב-2018. הם הדגימו חתימה ניסויית ייחודית לאופי הטופולוגי של המטא-חומר: אם השרשרת סגורה, כך שתיצור 'שרשרת'. ', גלי קול מוגברים בטבעת של מהודים ממשיכים להסתובב ומגיעים לעוצמה גבוהה מאוד, בדומה לאופן שבו נוצרות קרני אור חזקות בלייזרים.

להגביר את ביצועי החיישן?

ורהגן: "בגלל הגנה טופולוגית, ההגברה עקרונית לא רגישה להפרעות. אבל באופן מעניין, השרשרת למעשה רגישה במיוחד לסוג מסוים של הפרעה; אם התדר של המהוד האחרון בשרשרת מופרע מעט, האותות המוגברים לאורך השרשרת יכולים לפתע לנסוע אחורה שוב, לחוות הגברה בפעם השנייה. התוצאה היא שהמערכת רגישה מאוד להפרעה כל כך קטנה, שעלולה להיגרם ממסה של מולקולה הנצמדת לתהודה או קיוביט המתקשר איתו".

עם מענק ERC Consolidator שרכש לאחרונה, ורהגן רוצה לחקור את האפשרויות לשפר את הרגישות של חיישנים ננו-מכניים במערכות אלו. "ראינו את האינדיקציות הראשונות ליכולות החישה בניסויים שלנו, וזה מאוד מרגש. כעת עלינו לחקור ביתר פירוט כיצד חיישנים טופולוגיים אלו פועלים, האם הרגישות מוגברת בנוכחות סוגים שונים של מקורות רעש, ואילו טכנולוגיות חיישנים מעניינות יכולות להפיק תועלת מעקרונות אלו. זו רק ההתחלה של המאמץ הזה".