新型拓撲超材料以指數級放大聲波

荷蘭原子分子國立研究所科學家與來自德國、瑞士和奧地利的伙伴合作，創造了一種新型超材料，聲波能以前所未有的方式在其中流動。它提供了一種新的機械振動放大形式，具有改進傳感器技術和信息處理設備的潛力。這種超材料是“玻色子基塔耶夫鏈”（Bosonic Kitaev chain）的首個例子，其特殊性質源自其拓撲材料性質。這一成果發表在3月27日《自然》雜志上。

玻色子基塔耶夫鏈（藝術圖）：多個機械弦諧振器通過光連接成一條鏈。振動（聲波）沿著鏈條傳輸和放大。圖片來源：荷蘭原子分子國立研究所

“基塔耶夫鏈”是一個理論模型，用于描述超導材料（特別是納米線）中電子的物理現象。該模型因預測納米線末端是否存在特殊激發而聞名，即馬約拉納零能模。2018年，有人預測，玻色子基塔耶夫鏈將展示出天然材料或超材料一些迄今未知的行為。

玻色子基塔耶夫鏈實質上是一串耦合諧振器。它是一種超材料，即具有工程性質的合成材料。諧振器可被認為是材料的“原子”，它們耦合在一起的方式控制著集體超材料的行為，在這種情況下，聲波沿著鏈條傳播。

研究人員表示，耦合器的鏈節必須用特殊彈簧制成。他們借助光施加的力在納米機械諧振器之間創建所需的鏈接，將它們耦合起來，從而創造出“光學”彈簧。研究人員調節激光強度，可以連接5個諧振器，并實現玻色子基塔耶夫鏈。

研究發現，這種光學耦合會放大納米機械振動，聲波（即通過陣列傳播的機械振動）從一端到另一端呈指數放大，但在相反方向上振動無法傳遞。如果波延遲一點（如1/4振蕩周期），則行為會完全相反。因此，玻色子基塔耶夫鏈就像一種獨特類型的定向放大器，在信號操縱方面極具潛力，特別是在量子技術中。

進一步研究還證明，玻色子基塔耶夫鏈實際上是物質的一中新拓撲相。正如2018年預測那樣，研究人員展示了超材料拓撲性質的獨特實驗特征：如果鏈閉合，它會形成一條“項鏈”，放大的聲波在諧振器環中不斷循環并達到極高強度，類似于激光中產生的強光束。

（原標題：玻色子基塔耶夫鏈的首個例子：新型拓撲超材料以指數級放大聲波）