Onderzoekers van AMOLF hebben samen met partners uit Duitsland, Zwitserland en Oostenrijk een nieuw type metamateriaal gemaakt waar geluidsgolven op een ongekende manier doorheen stromen. Het materiaal zorgt voor een nieuwe vorm van versterking van mechanische trillingen, waarmee sensortechnologie en informatieverwerkingsapparatuur potentieel verbeterd kunnen worden. Dit metamateriaal is een eerste realisatie van een zogenaamde 'bosonische Kitaev-keten', die zijn bijzondere eigenschappen ontleent aan zijn aard als topologisch materiaal. Het metamateriaal ontstaat door de wisselwerking van nanomechanische resonatoren met laserlicht door middel van stralingsdruk. De ontdekking, die op 27 maart werd gepubliceerd in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Nature, is het resultaat van een internationale samenwerking tussen AMOLF, het Max Planck Instituut voor de Wetenschap van het Licht, de Universiteit van Bazel, ETH Zürich en de Universiteit van Wenen.
De 'Kitaev-keten' is een theoretisch model dat de fysica van elektronen in een supergeleidende nanodraad beschrijft. Het model werd bekend doordat het het bestaan van speciale excitaties aan de uiteinden van zo'n nanodraad voorspelde: de zogenoemde Majorana zero modes. Deze zijn belangwekkend vanwege hun mogelijke gebruik in quantumcomputers. AMOLF-groepsleider Ewold Verhagen: "wij waren geïnteresseerd in een model dat er wiskundig identiek uitziet, maar dat in plaats van elektronen andere golven zoals licht of geluid beschrijft. Omdat dergelijke golven uit bosonen (fotonen of fononen) bestaan in plaats van uit fermionen (elektronen), is het verwachte fysische gedrag ook heel anders. Een bosonische Kitaev-keten is dan ook geen bouwsteen van een quantumcomputer. Niettemin werd in 2018 voorspeld dat een bosonische Kitaev-keten fascinerend gedrag vertoont dat we tot nu toe niet kennen van enig natuurlijk materiaal, noch van enig metamateriaal. Hoewel veel wetenschappers geïnteresseerd waren, bleef experimentele toepassing moeilijk te realiseren."
Optische veren
De bosonische Kitaev-keten is in feite een snoer van gekoppelde resonatoren. Het is een metamateriaal, d.w.z. een synthetisch materiaal met ontworpen eigenschappen, waarin je de resonatoren kunt zien als de 'atomen' van het materiaal. De manier waarop ze aan elkaar zijn gekoppeld bepaalt het collectieve gedrag van het metamateriaal; in dit geval de voortplanting van geluidsgolven langs de keten. "De koppelingen – de schakels van de bosonische Kitaev-keten – moeten speciaal zijn en kunnen bijvoorbeeld niet met gewone veren worden gemaakt", zegt eerste auteur van het Nature-artikel Jesse Slim, die vorig jaar cum laude promoveerde. "We realiseerden ons dat we experimenteel de vereiste verbindingen tussen nanomechanische resonatoren – kleine trillende siliciumsnaren op een chip – konden creëren door ze te koppelen met behulp van krachten uitgeoefend door licht; waardoor 'optische' veren ontstaan. Door de intensiteit van een laser in de loop van de tijd zorgvuldig te variëren, konden we vijf resonatoren aan elkaar koppelen en de bosonische Kitaev-keten implementeren."
Exponentiële versterking
Het resultaat was opvallend. "De optische koppeling lijkt wiskundig op de supergeleidende schakels in de fermionische Kitaev-keten", zegt Verhagen. "Maar ongeladen bosonen vertonen geen supergeleiding; in plaats daarvan zorgt optische koppeling voor versterking van de nanomechanische trillingen. Hierdoor worden geluidsgolven, de mechanische trillingen die zich door de resonatoren voortplanten, exponentieel versterkt van het ene uiteinde naar het andere. Interessant is dat in de tegenovergestelde richting de voortplanting van trillingen verboden is. En nog intrigerender: als de golf een beetje wordt vertraagd – met een kwart van de oscillatieperiode – keert het gedrag volledig om: het signaal wordt naar achteren versterkt en naar voren geblokkeerd. De bosonische Kitaev-keten fungeert dus als een uniek soort directionele versterker, die interessante toepassingen belooft voor het manipuleren van signalen, met name in de quantumtechnologie."
Topologisch metamateriaal
De interessante eigenschappen van de Majorana zero modes in de Kitaev-keten voor elektronen, houden verband met het feit dat het materiaal topologisch is. In topologische materialen zijn bepaalde verschijnselen onlosmakelijk verbonden met de algemene wiskundige beschrijving van het materiaal. Deze verschijnselen zijn topologisch beschermd, wat betekent dat ze gegarandeerd zullen bestaan, zelfs als het materiaal last heeft van defecten en verstoringen. Het begrijpen van topologische materialen werd in 2016 bekroond met de Nobelprijs voor de natuurkunde, maar dit omvatte alleen materialen die geen versterking of demping vertonen. De beschrijving van topologische fasen die wel versterking omvatten, is nog steeds een onderwerp van intensief onderzoek en debat. Samen met theoretisch wetenschappers Clara Wanjura (Max Planck Instituut voor de Fysica van Licht), Matteo Brunelli (Universiteit van Bazel), Javier del Pino (ETH Zürich) en Andreas Nunnenkamp (Universiteit van Wenen) hebben de AMOLF-onderzoekers aangetoond dat de bosonische Kitaev keten in feite een nieuwe topologische fase van materie is. Bovendien is de waargenomen directionele versterking een topologisch fenomeen dat verbonden is met deze fase van materie, zoals de theoretici in 2020 voorspelden. Ze demonstreerden een unieke experimentele signatuur van de topologische aard van het metamateriaal: als de keten gesloten is, zodat deze een 'halsketting' vormt, blijven versterkte geluidsgolven in de ring van resonatoren circuleren en bereiken ze een zeer hoge intensiteit, vergelijkbaar met hoe sterke lichtstralen worden gegenereerd in lasers.
Betere sensoren?
Verhagen: "Door de topologische bescherming is de versterking in principe ongevoelig voor verstoringen. Maar interessant genoeg is de keten juist extra gevoelig voor één bepaald type verstoring; als de frequentie van de laatste resonator in de keten enigszins wordt verstoord, kunnen de versterkte signalen langs de keten plotseling weer achteruit gaan en een tweede keer versterking ervaren. Het resultaat is dat het systeem erg gevoelig is voor zo'n kleine verstoring, die bijvoorbeeld veroorzaakt kan worden door de massa van een molecuul dat zich aan de resonator hecht of door wisselwerking met een qubit."
Met de ERC Consolidator Grant die hij onlangs kreeg, wil Verhagen de mogelijkheden onderzoeken om de gevoeligheid van nanomechanische sensoren in dit soort systemen te vergroten. "We hebben in onze experimenten de eerste indicatie gezien dat het inderdaad mogelijk is om op deze manier extra gevoelig te meten, wat erg spannend is. We moeten nu gedetailleerder onderzoeken hoe deze topologische sensoren werken, of de gevoeligheid wordt vergroot in de aanwezigheid van verschillende soorten meetruis, en welke interessante sensortechnologieën van deze principes kunnen profiteren. Dit is nog maar het begin van het avontuur."