Un nuevo metamaterial topológico amplifica exponencialmente las ondas sonoras
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Investigadores de AMOLF, en colaboración con socios de Alemania, Suiza y Austria, han realizado un nuevo tipo de metamaterial a través del cual las ondas sonoras fluyen de una forma sin precedentes. Se trata de una novedosa forma de amplificación de las vibraciones mecánicas que puede mejorar la tecnología de sensores y los dispositivos de procesamiento de la información. Este metamaterial es el primer caso de la llamada "cadena bosónica de Kitaev", que obtiene sus propiedades especiales de su naturaleza de material topológico. Se consiguió haciendo que resonadores nanomecánicos interaccionaran con la luz láser mediante fuerzas de presión de radiación.
Ella Maru Studio
El descubrimiento, publicado recientemente en la prestigiosa revista científica Nature, se logró en una colaboración internacional entre AMOLF, el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz, la Universidad de Basilea, ETH Zúrich y la Universidad de Viena.
La "cadena de Kitaev" es un modelo teórico que describe la física de los electrones en un material superconductor, concretamente un nanocable. El modelo es famoso por predecir la existencia de excitaciones especiales en los extremos de dicho nanohilo: los modos cero de Majorana. Estos modos han despertado un gran interés por su posible uso en ordenadores cuánticos. Ewold Verhagen, jefe del grupo AMOLF: "Nos interesaba un modelo que pareciera matemáticamente idéntico, pero que describiera ondas como la luz o el sonido, en lugar de electrones. Dado que tales ondas están formadas por bosones (fotones o fonones) en lugar de fermiones (electrones), se espera que su comportamiento sea muy diferente". No obstante, en 2018 se predijo que una cadena bosónica de Kitaev exhibe un comportamiento fascinante que no se conoce de ningún material natural, ni de ningún metamaterial hasta la fecha. Aunque muchos científicos estaban interesados, la realización experimental seguía siendo esquiva."
Resortes ópticos
La cadena bosónica de Kitaev es esencialmente una cadena de resonadores acoplados. Se trata de un metamaterial, es decir, un material sintético con propiedades de ingeniería: los resonadores pueden considerarse los "átomos" de un material, y la forma en que se acoplan entre sí controla el comportamiento colectivo del metamaterial; en este caso, la propagación de las ondas sonoras a lo largo de la cadena. "Los acoplamientos -los eslabones de la cadena bosónica de Kitaev- tienen que ser especiales y no se pueden hacer con muelles normales, por ejemplo", explica el primer autor del artículo de Nature, Jesse Slim, que se graduó cum laude el año pasado. "Nos dimos cuenta de que podíamos crear experimentalmente los enlaces necesarios entre resonadores nanomecánicos -pequeñas cuerdas de silicio vibrantes en un chip- acoplándolos con la ayuda de fuerzas ejercidas por la luz; creando así muelles 'ópticos'". Variar cuidadosamente la intensidad de un láser a lo largo del tiempo permitió entonces enlazar cinco resonadores e implementar la cadena bosónica de Kitaev".
Amplificación exponencial
El resultado fue sorprendente. "El acoplamiento óptico se parece matemáticamente a los eslabones superconductores de la cadena fermiónica de Kitaev", afirma Verhagen. "Pero los bosones sin carga no presentan superconductividad; en cambio, el acoplamiento óptico añade amplificación a las vibraciones nanomecánicas. Como resultado, las ondas sonoras, que son las vibraciones mecánicas que se propagan a través del conjunto, se amplifican exponencialmente de un extremo al otro. Curiosamente, en la dirección opuesta la transmisión de vibraciones está prohibida. Y aún más intrigante, si la onda se retrasa un poco -un cuarto de período de oscilación- el comportamiento se invierte por completo: la señal se amplifica hacia atrás y se bloquea hacia delante. La cadena bosónica de Kitaev actúa así como un tipo único de amplificador direccional, que podría tener interesantes aplicaciones para la manipulación de señales, en particular en tecnología cuántica."
Metamaterial topológico
Las interesantes propiedades de los modos cero de Majorana en la cadena electrónica de Kitaev están relacionadas con el hecho de que el material es topológico. En los materiales topológicos, ciertos fenómenos están invariablemente conectados a la descripción matemática general del material. Esos fenómenos están entonces protegidos topológicamente, lo que significa que está garantizada su existencia, aunque el material sufra defectos y perturbaciones. La comprensión de los materiales topológicos fue galardonada con el premio Nobel de Física en 2016, pero esto solo abarcaba los materiales que no presentan amplificación ni amortiguación. La descripción de las fases topológicas que sí incluyen amplificación sigue siendo un tema de intensa investigación y debate.
Junto con sus colaboradores teóricos Clara Wanjura (Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz), Matteo Brunelli (Universidad de Basilea), Javier del Pino (ETH Zúrich) y Andreas Nunnenkamp (Universidad de Viena), los investigadores de AMOLF demostraron que la cadena bosónica de Kitaev es, de hecho, una nueva fase topológica de la materia. La amplificación direccional observada es un fenómeno topológico asociado a esta fase de la materia, tal y como predijeron los colaboradores de la teoría en 2020. Demostraron una firma experimental única de la naturaleza topológica del metamaterial: si la cadena está cerrada, de forma que forme un "collar", las ondas sonoras amplificadas en el anillo de resonadores siguen circulando y alcanzan una intensidad muy alta, similar a cómo se generan los haces de luz intensa en los láseres.
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