Команда ученых из Австрии, Германии и Швейцарии создали первый образец топологического материала — «бозонной цепочки Китаева» — сквозь который звуковые волны движутся весьма необычным образом. Разработка может служить усилителем механических колебаний, применение которому найдется в производстве датчиков и устройств обработки информации.

«Цепочка Китаева» — теоретическая модель, описывающая физику электронов в сверхпроводящем материале, в частности, нанонитях. Она предсказывает существование нулевых мод Майораны, особых возбуждений на концах таких нитей. Эти состояния привлекли особый интерес ученых ввиду их потенциальной применимости в квантовых компьютерах, пишет Phys.org.

«Нам была интересна модель, которая выглядит математически тождественно, но описывает волны вроде света или звука вместо электронов, — сказал руководитель научной группы Эвольд Верхаген. — Поскольку такие волны состоят из бозонов (фотонов или фононов), а не фермионов (электронов), их поведение может очень отличаться. Тем не менее, в 2018 году было предсказано, что бозонная цепочка Китаева проявляет поразительные свойства, не присущие на сегодня ни одному из природных материалов и ни одному метаматериалу. Несмотря на интерес ученых, экспериментальное воплощение оставалось недостижимым».

Бозонная цепочка Китаева — это, фактически, ряд соединенных между собой резонаторов. Способ их соединения управляет поведением всей цепочки. В данном случае, распространением звуковых волн вдоль цепи. Соединив элементы цепи — вибрирующие кремниевые нити — с помощью оптических пружин и настроив интенсивность лазера, ученые смогли реализовать долгожданный метаматериал.

Результат превзошел ожидания: оптическое соединение математически напоминало сверхпроводящие связи в фермионной цепочке Китаева. Однако незаряженные бозоны не проявляют свойства сверхпроводимости, поэтому вместо него возросла сила наномеханических колебаний. В итоге звуковые волны усиливались в геометрической прогрессии от одного конца цепочки к другому.

«Что любопытно, перенос колебаний в обратном направлении недоступен, — пояснил Верхаген. — Что еще любопытнее, если волна чуть задерживается — на четверть периода осцилляции — ее поведение полностью инвертируется: сигнал усиливается в обратном направлении, движение вперед блокируется. Бозонная цепочка Китаева действует как уникальный тип направленного усилителя, у которого могут быть интересные варианты применения в управлении сигналами, в частности, в квантовой технологии».