Un nouveau métamatériau topologique amplifie les ondes sonores de manière exponentielle
Des chercheurs d'AMOLF, en collaboration avec des partenaires d'Allemagne, de Suisse et d'Autriche, ont réalisé un nouveau type de métamatériau à travers lequel les ondes sonores circulent d'une manière sans précédent. Il s'agit d'une nouvelle forme d'amplification des vibrations mécaniques, qui pourrait permettre d'améliorer la technologie des capteurs et les dispositifs de traitement de l'information. Ce métamatériau est le premier exemple de ce que l'on appelle une "chaîne bosonique de Kitaev", qui tire ses propriétés particulières de sa nature de matériau topologique. Il a été réalisé en faisant interagir des résonateurs nanomécaniques avec la lumière laser par l'intermédiaire de forces de pression de radiation.
Ella Maru Studio
Cette découverte, récemment publiée dans la célèbre revue scientifique Nature, a été réalisée dans le cadre d'une collaboration internationale entre AMOLF, l'Institut Max Planck pour la science de la lumière, l'université de Bâle, l'ETH Zurich et l'université de Vienne.
La "chaîne de Kitaev" est un modèle théorique qui décrit la physique des électrons dans un matériau supraconducteur, en particulier un nanofil. Le modèle est célèbre pour avoir prédit l'existence d'excitations spéciales aux extrémités d'un tel nanofil : les modes zéro de Majorana. Ces modes ont suscité un vif intérêt en raison de leur utilisation possible dans les ordinateurs quantiques. Ewold Verhagen, chef du groupe AMOLF : "Nous étions intéressés par un modèle mathématiquement identique, mais décrivant des ondes telles que la lumière ou le son, au lieu d'électrons. Étant donné que ces ondes sont constituées de bosons (photons ou phonons) plutôt que de fermions (électrons), on s'attend à ce que leur comportement soit très différent. Néanmoins, en 2018, il a été prédit qu'une chaîne de Kitaev bosonique présente un comportement fascinant qui n'est connu d'aucun matériau naturel, ni d'aucun métamatériau à ce jour. Bien que de nombreux scientifiques aient été intéressés, la réalisation expérimentale est restée insaisissable."
Ressorts optiques
La chaîne bosonique de Kitaev est essentiellement une chaîne de résonateurs couplés. Il s'agit d'un métamatériau, c'est-à-dire d'un matériau synthétique doté de propriétés techniques : les résonateurs peuvent être considérés comme les "atomes" d'un matériau, et la manière dont ils sont couplés contrôle le comportement collectif du métamatériau ; dans ce cas, la propagation des ondes sonores le long de la chaîne. "Les couplages - les maillons de la chaîne bosonique de Kitaev - doivent être spéciaux et ne peuvent pas être réalisés avec des ressorts ordinaires, par exemple", explique le premier auteur de l'article de Nature, Jesse Slim, qui a obtenu son diplôme avec mention l'année dernière. Nous avons réalisé que nous pouvions créer expérimentalement les liens nécessaires entre les résonateurs nanomécaniques - de petites cordes de silicium vibrantes sur une puce - en les couplant à l'aide des forces exercées par la lumière, créant ainsi des ressorts "optiques". En faisant varier avec précaution l'intensité d'un laser dans le temps, il a été possible de relier cinq résonateurs et de réaliser la chaîne bosonique de Kitaev".
Une amplification exponentielle
Le résultat est saisissant. "Le couplage optique ressemble mathématiquement aux maillons supraconducteurs de la chaîne fermionique de Kitaev", explique M. Verhagen. "Mais les bosons non chargés ne présentent pas de supraconductivité ; au lieu de cela, le couplage optique ajoute une amplification aux vibrations nanomécaniques. Par conséquent, les ondes sonores, qui sont les vibrations mécaniques se propageant dans le réseau, sont amplifiées de manière exponentielle d'un bout à l'autre. Il est intéressant de noter que dans la direction opposée, la transmission des vibrations est interdite. Et ce qui est encore plus intrigant, c'est que si l'on retarde légèrement l'onde - d'un quart de période d'oscillation - le comportement est complètement inversé : le signal est amplifié vers l'arrière et bloqué vers l'avant. La chaîne bosonique de Kitaev agit donc comme un type unique d'amplificateur directionnel, qui pourrait avoir des applications intéressantes pour la manipulation des signaux, en particulier dans la technologie quantique."
Métamatériau topologique
Les propriétés intéressantes des modes zéro de Majorana dans la chaîne électronique de Kitaev sont liées au fait que le matériau est topologique. Dans les matériaux topologiques, certains phénomènes sont invariablement liés à la description mathématique générale du matériau. Ces phénomènes sont alors topologiquement protégés, ce qui signifie que leur existence est garantie, même si le matériau souffre de défauts et de perturbations. La compréhension des matériaux topologiques a été récompensée par le prix Nobel de physique en 2016, mais cela ne concernait que les matériaux qui ne présentent pas d'amplification ou d'amortissement. La description des phases topologiques qui comportent une amplification fait encore l'objet de recherches et de débats intenses.
Avec leurs collaborateurs théoriques Clara Wanjura (Institut Max Planck pour la science de la lumière), Matteo Brunelli (Université de Bâle), Javier del Pino (ETH Zurich) et Andreas Nunnenkamp (Université de Vienne), les chercheurs d'AMOLF ont montré que la chaîne bosonique de Kitaev est en fait une nouvelle phase topologique de la matière. L'amplification directionnelle observée est un phénomène topologique associé à cette phase de la matière, comme l'avaient prédit les collaborateurs de la théorie en 2020. Ils ont démontré une signature expérimentale unique de la nature topologique du métamatériau : si la chaîne est fermée, de sorte qu'elle forme un "collier", les ondes sonores amplifiées dans l'anneau de résonateurs continuent à circuler et atteignent une très forte intensité, similaire à la façon dont les faisceaux lumineux puissants sont générés dans les lasers.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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