Эффект шепчущей галереи помог создать активную акустическую среду
Физики построили резонатор на модах шепчущей галереи с топологической защитой и активным контролем фазы. Они создавали поверхностное защищенное состояние на границе двух подрешеток фононного кристалла, а для контроля фазы использовали термоакустическое преобразование на углеродных нанотрубках. Изготовленный образец продемонстрировал высокую степень контроля состояний, движущихся в разные стороны резонатора. Исследование опубликовано в Nature.
Акустика как научная дисциплина существует достаточно давно, однако по сравнению с оптикой она изучена и применяется не настолько обширно. К причинам этого можно отнести тот факт, что для распространения звуковых волн требуется среда, а также то, что их генерация происходит в меньшем числе процессов, нежели генерация электромагнитных волн. Наконец, характерная энергия квантов звуковых колебаний — фононов — существенно ниже энергии оптических фотонов. Это можно считать причиной того, почему первые мазеры и лазеры появились только в середине XX века, в то время как сазеры — генераторы когерентных звуковых волн — только в 2010 году.
Принцип генерации звука в сазерах такой же, как и света в лазерах: в активной среде, помещенной в резонатор, создается инверсия населенностей на паре уровней, разница в энергиях которых равна энергии испускаемых фононов, а затем происходит каскад вынужденных переходов. При этом сазеры обладают рядом преимуществ перед лазерами. Например, при той же равной частоте, длина волны звука гораздо меньше, чем у электромагнитной волны, следовательно, их можно сфокусировать в пятно меньшего размера. Поэтому физики постоянно ищут новые подходы к созданию элементной базы для сазеров.
Команда физиков из Испании и Китая под руководством Ин Чэн (Ying Cheng) из Университета Нанджунга экспериментально реализовала акустический резонатор на модах шепчущей галереи с активным контролем свойств звуковых мод. Особенностью их работы стало совместное использование нескольких физических концепций для эффективного управления генерацией, в частности, применение топологически защищенных поверхностных мод, а также преобразования тепла в звук с помощью термоакустической связи в углеродных нанотрубках.
Топологически защищенные поверхностные состояния возникают на стыке двух волновых изоляторов со слегка отличающимися свойствами, в каждом из которых распространение волны подавлено. Такие состояния очень устойчивы по отношению к дефектам и возмущениям, и потому стали перспективной базой для когерентной генерации волн (про лазерную генерацию с их помощью мы недавно рассказывали). Чтобы создать аналогичное акустическое состояние, физики изготовили двумерный фононный кристалл, состоящий из двух подрешеток с разной ориентацией элементарных ячеек. Каждая ячейка представляет собой три плотноупакованных цилиндра, напечатанных на 3D-принтере из ABS-пластика и покрытых пленкой из углеродных нанотрубок с присоединенными управляющими электродами. Такая конструкция позволяет контролировать генерацию звука в каждом месте решетки. Авторы поместили одну подрешетку в окружении другой, создав таким образом замкнутую границу, которая служила резонатором на модах шепчущей галереи для топологически защищенной поверхностной волны.
В обычных условиях волны, двигающиеся в разных направлениях кольцевого резонатора, вырождены, то есть обладают одинаковой энергией. Физики убедились в этом, возбудив в своем образце звуковую волну и записав ее спектр с помощью встроенных в него микрофонов. Однако точный контроль каждого цилиндра в решетке позволил им вносить когерентную фазовую задержку по всему периметру резонатора. В этом случае вырождение снимается, а в спектре появляются боковые компоненты, соответствующие волнам разных направлений, в чем авторы убедились экспериментально. В частном случае, когда полный набег фазы оказался равен 2π, центральная компонента исчезла полностью, что соответствует теоретическим расчетам.
Ученые также продемонстрировали возможность пространственного разделения обеих компонент. Для этого они изготовили новый образец, в котором модифицировали один из углов таким образом, чтобы образовалось два выхода из резонатора. Проведя симуляцию и эксперимент, они убедились, что звуковые волны с различной направленностью выходят из образца через различные выходы.
Физики надеются, что активное усиление звуковых волн в сочетании с топологическими изоляторами сможет открыть новые технологические возможности. В частности, при масштабировании до микро- и нанометрового масштаба топологическая защита может быть полезна для электромеханической фильтрации в телекоммуникационных сетях. Кроме того, изготовление фононных кристаллов с пленками из углеродных нанотрубок позволит создать активные звуковые среды.
Акустические метаматериалы позволяют обнаруживать и проверять разнообразные фундаментальные эффекты. Недавно мы рассказывали, как физики построили акустический изолятор Черна и как они с помощью фотонных кристаллов получили подтверждение парадокса Клейна.
Марат Хамадеев
Роль магнитного поля сыграло туннелирование в оптической решетке
Физики впервые экспериментально сгенерировали дробные квантовые состояния Холла в двумерной системе ультрахолодных атомов. Как сообщается в Nature, в созданных состояниях удалось пронаблюдать основные свойства дробных холловских: подавление двухчастичного взаимодействия, сильные (анти)корреляции плотности и дробную величину аналога холловской проводимости. Дробный квантовый эффект Холла возникает в двумерном электронном газе в сильных магнитных полях. Одноименно заряженные электроны отталкиваются друг от друга, однако не могут разлетаться прямолинейно из-за сильного магнитного поля, которое резко закручивает импульс частиц и порождает сложное коллективное движение в системе: поведение отдельных частиц не независимо, а наоборот сильно скоррелировано. В таких ситуациях вместо рассмотрения каждого электрона в отдельности изучают коллективную волновую функцию системы, выделяя основное состояние системы (низшее по энергии) и возбужденные состояния (с энергией выше основного) — квазичастицы. При этом эффективная масса или заряд последних не обязаны совпадать с характеристиками исходных частиц. Так, еще в восьмидесятых годах прошлого века было установлено, что в дробном квантовом эффекте Холла заряд собравшихся из коллективных электронных возбуждений квазичастиц оказывается дробным по отношению к заряду самих электронов. Этим можно объяснить наблюдаемую дробную холловскую проводимость: в обычной ситуации эта величина в единицах отношения квадрата заряда электрона к постоянной планка (обратный квант электрического сопротивления) равна целому числу, а в дробном эффекте Холла принимает нецелые значения. Более того, даже статистика таких квазичастиц может быть промежуточной по отношению к стандартной классификации элементарных частиц на бозоны и фермионы: состояния не обязаны быть строго симметричными или антисимметричными по отношению к перестановкам. Такие экзотические свойства делают дробные холловские состояния перспективным инструментом для квантовых вычислений. При этом вместо того чтобы создавать и контролировать сильные магнитные поля во многоэлектронных системах, физики стремятся создать аналогичные по свойствам, но легко контролируемые квантовые системы — например, из ультрахолодных атомов в оптической решетке. Тем не менее, до недавнего времени об экспериментальной реализации дробных холловских состояний в системах ультрахолодных атомов не сообщалось. Теперь физики из Австрии, Бельгии, Германии, США и Франции под руководством Маркуса Грейнера (Markus Greiner) из Гарвардского университета смогли создать дробные холловские состояния в системе двух ультрахолодных атомов рубидия-87. Для этого исследователи размещали атомы в квадратной оптической решетке (на пересечении двух лазерных лучей) размером в четыре ячейки с каждой стороны, и на протяжении эксперимента контролировали их положение (с разрешением в одну ячейку) с помощью флуоресцентных изображений. Первоначально атомы находились соседних краевых ячейках решетки. Затем авторы, контролируя параметры ячейки, по очереди адиабатически медленно создавали туннелирование по каждой из осей решетки, симулируя тем самым поведение заряженных частиц в сильном магнитном поле. В результате пара атомов рубидия переходила в коллективное состояние, которое физики фиксировали и после анализировали сходство с состояниями дробного холловского типа по свойствам получившегося пространственного распределения плотности и зависимости этих свойств от величины эффективного магнитного поля. В результате авторы обнаружили в итоговых состояниях все ключевые характеристики дробных холловских состояний. Во-первых, удалось зарегистрировать подавление двухчастичного взаимодействия: начиная с критических значений магнитного потока (при переходе к коллективному состоянию) в несколько раз (по сравнению с обычным состоянием) снижалась вероятность наблюдать оба атома в одной и той же ячейке решетки. Во-вторых, эффективная холловская проводимость приняла дробное значение — этот параметр исследователи оценивали через производную средней плотности атомов в центральных четырех ячейках по величине эффективного магнитного потока. Наконец, в-третьих, при надкритической величине эффективного поля кратно возрастали значения (анти)корреляции плотности по всей оптической решетке, что свидетельствует о переходе к зависимому, коллективному поведению системы. При этом сходство оказалось не только качественным, но и количественным: измеренные величины совпали с теоретическим прогнозом для дробного холловского состояния в пределах погрешности, что позволяет заявить о надежной регистрации этого состояния в системе ультрахолодных атомов. Кроме того, чтобы оценить качество адиабатической подготовки коллективного состояния из исходного, в части опытов физики вместо фиксации результата проделывали подготовку в обратной последовательности, от конечного состояния к начальному. Вероятность обнаружить в этом «новым начальном» состоянии исходное начальное исследователи использовали как количественную оценку адиабатичности своих манипуляций: эта величина составила около 43 процентов. По словам авторов, экспериментальный результат является первым шагом в освоении контролируемых манипуляций с сильно скоррелированными состояниями ультрахолодных атомов и в будущем может оказаться практически полезным для квантовых технологий. Ранее мы рассказывали о том, как орбитальное движение атомов повлияло на формирование ультрахолодных димеров в оптических решетках и о том, как свет помог собрать ультрахолодную молекулу из двух атомов.