Ce métamatériau est le premier exemple d'une « chaîne bosonique de Kitaev », qui tire ses propriétés particulières de sa nature de matériau topologique. Cela a été réalisé en faisant interagir des résonateurs nanomécaniques avec la lumière laser via des forces de pression de rayonnement.

La découverte, publiée dans la revue Nature , a été réalisé dans le cadre d'une collaboration internationale entre l'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, plus précisément un nanofil. Le modèle est célèbre pour prédire l’existence d’excitations particulières aux extrémités d’un tel nanofil :les modes zéro de Majorana. Ceux-ci ont suscité un vif intérêt en raison de leur utilisation possible dans les ordinateurs quantiques.

Ewold Verhagen, chef du groupe AMOLF, a déclaré :« Nous étions intéressés par un modèle qui semble mathématiquement identique, mais qui décrit des ondes comme la lumière ou le son, au lieu d'électrons. Puisque ces ondes sont constituées de bosons (photons ou phonons) plutôt que de fermions (électrons), leurs Le comportement devrait être très différent. Néanmoins, en 2018, il a été prédit qu'une chaîne bosonique de Kitaev présenterait un comportement fascinant qui n'est connu à ce jour d'aucun matériau naturel, ni d'aucun métamatériau. Même si de nombreux scientifiques étaient 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 façon dont ils sont couplés contrôle le comportement collectif du métamatériau; dans ce cas la propagation des ondes sonores le long de la chaîne.

"Les accouplements - 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 Nature. papier Jesse Slim.

"Nous avons réalisé que nous pouvions créer expérimentalement les liens requis entre des résonateurs nanomécaniques - de petites cordes de silicium vibrantes sur une puce - en les couplant à l'aide de forces exercées par la lumière, créant ainsi des ressorts "optiques". Variant soigneusement l'intensité d'un laser sur le temps a alors permis de relier cinq résonateurs et de mettre en œuvre la chaîne bosonique de Kitaev."

Amplification exponentielle

Le résultat était saisissant. "Le couplage optique ressemble mathématiquement aux maillons supraconducteurs de la chaîne fermionique de Kitaev", explique Verhagen.

"Mais les bosons non chargés ne présentent pas de supraconductivité ; au lieu de cela, le couplage optique ajoute une amplification aux vibrations nanomécaniques. En conséquence, les ondes sonores, qui sont les vibrations mécaniques se propageant à travers le réseau, sont amplifiées de manière exponentielle d'une extrémité à l'autre.

"Il est intéressant de noter que dans la direction opposée, la transmission des vibrations est interdite. Et plus intrigant encore, si l'onde est un peu retardée - 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 ainsi comme un type unique d'amplificateur directionnel, qui pourrait avoir des applications intéressantes pour la manipulation de signaux, notamment en 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 qu'ils sont garantis d'exister, même si le matériau souffre de défauts et de perturbations.

La compréhension des matériaux topologiques a reçu le prix Nobel de physique en 2016, mais cela ne concernait que les matériaux ne comportant ni amplification ni amortissement. La description des phases topologiques qui incluent l'amplification fait toujours l'objet de recherches et de débats intenses.

En collaboration avec les 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 de l'AMOLF ont montré que le bosonique Kitaev la chaîne 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 théoriques en 2018.

Ils ont démontré une signature expérimentale unique de la nature topologique du métamatériau :si la chaîne est fermée, de telle sorte qu'elle forme un « collier », les ondes sonores amplifiées dans l'anneau des résonateurs continuent de circuler et atteignent une intensité très élevée, similaire à la force avec laquelle des faisceaux lumineux sont générés dans des lasers.

Améliorer les performances du capteur ?

Verhagen a déclaré :« En raison de la protection topologique, l'amplification est en principe insensible aux perturbations. Mais il est intéressant de noter que la chaîne est en fait très sensible à un type particulier de perturbation; si la fréquence du dernier résonateur de la chaîne est légèrement perturbée, le les signaux amplifiés le long de la chaîne peuvent soudainement revenir en arrière, subissant une seconde amplification. Le résultat est que le système est très sensible à une si petite perturbation, qui pourrait être causée par la masse d'une molécule adhérant au résonateur ou par un qubit en interaction. avec ça."

Verhagen souhaite étudier les possibilités d'améliorer la sensibilité des capteurs nanomécaniques dans ces systèmes. "Nous avons vu les premières indications des capacités de détection dans nos expériences, ce qui est très excitant. Nous devons maintenant étudier plus en détail le fonctionnement de ces capteurs topologiques, si la sensibilité est augmentée en présence de divers types de sources de bruit, et quelles technologies de capteurs intéressantes peuvent bénéficier de ces principes. Ce n'est que le début de cet effort."