音波を飛躍的に増幅する新しいトポロジカルメタマテリアル

April, 11, 2024, Amsterdam--AMOLFの研究者らは、ドイツ、スイス、オーストリアのパートナーと共同で、これまでにない方法で音波が流れる新しいタイプのメタマテリアルを実現した。
これは、機械振動を増幅する新しい形を提供し、センサ技術や情報処理デバイスの高度化につながる可能性を秘めている。このメタマテリアルは、トポロジカルな物質としての性質からその特別な性質を得ている、いわゆる「ボソンキタエフ連鎖」‘bosonic Kitaev chain’の最初の例である。これは、ナノメカニカル共振器を放射圧力力によってレーザ光と相互作用させることによって実現された。科学誌「Nature」に掲載されたこの発見は、AMOLF、マックス・プランク光科学研究所、バーゼル大学、ETH-Zurich、ウィーン大学の国際共同研究によって達成された。

「キタエフ鎖」‘Kitaev chain’は、超伝導物質、特にナノワイヤ中の電子の物理を記述する理論モデル。このモデルは、このようなナノワイヤの末端に特殊な励起が存在することを予測したことで有名である:マヨラナゼロモード（Majorana zero modes）。これらは、量子コンピュータでの使用可能性から、強い関心を集めている。AMOLFグループリーダー、Ewold Verhagenは、「われわれは、数学的には同じに見えるが、電子ではなく、光や音のような波動を記述するモデルに興味を持っていた。このような波はフェルミオン(電子)ではなくボソン(光子やフォノン)から成り立っているため、その振る舞いは大きく異なると予想される。それにもかかわらず、2018年には、ボソンキタエフ鎖（bosonic Kitaev chain）が、これまで天然物質やメタ物質では知られていない魅力的な振る舞いを示すと予測された。多くの科学者が興味を持っていたが、実験による実現はとらえどころのないままだった。

光学スプリング
ボソンキタエフ鎖は、本質的に結合共振器の鎖である。それはメタマテリアル、すなわち、工学的特性を持つ合成材料である:共振器は材料の「原子」と考えることができ、それらが結合する方法が集合的なメタマテリアルの挙動を制御する。この場合、チェーン（鎖）に沿った音波の伝播。「ボゾンのキタエフ鎖をつなぐカップリングは特別なものでなければならず、例えば通常のスプリングでは作れない」と、Natureの論文の筆頭著者で、昨年優秀な成績で卒業したJesse Slimは説明している。「われわれは、ナノメカニカル共振器(チップ上の小さな振動シリコンストリング)間に、光が及ぼす力の助けを借りて結合することで、必要なリンクを実験的に作成できることに気づいた。つまり、「光学的」なスプリングを作った。レーザの強度を時間とともに慎重に変化させることで、5つの共振器をつなぎ、ボソンキタエフ連鎖を実装することができた。

指数関数的増幅
その結果は目を見張るものだった。「この光結合は、数学的にはフェルミオンのキタエフ鎖の超伝導リンクに似ている。しかし、荷電していないボソンは超伝導を示さない。代わりに、光結合はナノ機械的振動に増幅を加える。その結果、アレイを伝搬する機械的振動である音波は、一方の端からもう一方の端まで指数関数的に増幅される。興味深いことに、反対方向では振動の伝達は禁止されている。さらに興味深いのは、波が少し遅れると(発振周期の1/4だけ)、動作が完全に反転し、信号が後方に増幅され、前方にブロックされることだ。このように、ボソンキタエフ鎖は、ユニークなタイプの指向性増幅器のように振る舞い、特に量子技術における信号操作に興味深い応用が期待できる」とVerhagenは説明している。

（詳細は、https://amolf.nl）