Международная исследовательская группа обнаружила, как использовать определенные дефекты для защиты ограниченной энергии в акустических системах. Их экспериментальный подход обеспечивает универсальную платформу для создания произвольных дефектов для дальнейшей теоретической проверки и улучшения контроля над волнами в других системах, таких как свет, по словам главного исследователя Юн Цзин, доцента акустики и биомедицинской инженерии в штате Пенсильвания.

Команда опубликовала свои результаты в Physical Review Letters, ведущем издании Американского физического общества. Исследование было выбрано как «Предложение редакции», а также было представлено в статье с комментариями APS.

Работа связана с фононами и, возможно, их оптическим эквивалентом, фотонами, которые могут перемещаться по определенным границам в так называемых топологических решетках без рассеяния. Такие решетки были впервые обнаружены в конденсированном веществе, в котором материалы состоят из атомов, повторяющихся в точном порядке, удерживаемых вместе благодаря силе их связей — или как они связаны друг с другом таким образом, что изменение одного из партнеров может повлиять на Другие. По словам Цзина, известно, что эти материалы содержат топологически защищенные состояния, которые остаются неизменными, даже если система содержит определенные несовершенства.

По словам Цзин, перемещение этих желаемых состояний за их ограничительные границы в основную часть материала может привести к новым приложениям в сенсорике. Однако для некоторых состояний такое движение требует введения новых дефектов, которые часто нарушают киральную симметрию системы — ключевое свойство, позволяющее максимально удерживать состояния, связанные с введенным дефектом. Это означает, что энергия состояния максимально изолирована от режимов, которые могут уменьшить или разрушить ее.

«Хиральная симметрия подразумевает наличие симметричного спектра: все моды в системе либо появляются парами, с частотами, равноудаленными от нулевой частоты, либо они не имеют партнера и сидят точно на нулевой частоте», — сказал Цзин, отметив, что второй случай встречается чрезвычайно редко и встречается только в определенных конфигурациях топологических дефектов, особенно в топологических решетках, в том числе в так называемой дисклинации. «Критически важно, однако, то, что топологические дефекты, которые необходимы для включения желаемого состояния в объем решетки , часто нарушают киральную симметрию, что противоречит цели наличия топологической структуры с самого начала».

Исследователи могли сделать дисклинации, подчиняющиеся киральной симметрии, но они попали в первую симметричную спектральную категорию равномерно спаренных состояний, расположенных на равном расстоянии от нулевой частоты. Соавтор Владимир А. Бенальказар, который был научным сотрудником с докторской степенью Эберли в Департаменте физики штата Пенсильвания во время исследования, а в настоящее время является научным сотрудником с докторской степенью Мура в Принстонском университете, предположил, что, поскольку состояния дисклинации связаны с ядром дефекта, возможно, можно было бы рассмотреть симметрию самой дисклинации, чтобы предотвратить разделение состояний с нулевой частотой.

Чтобы проверить это, исследователи разработали акустическую сотовую решетку как аналог кристаллической решетки. По словам Цзин, гораздо проще создавать дефекты в акустической системе и манипулировать ими, чем в кристаллических материалах. Используя цилиндрические полости для представления атомов, исследователи создали дефект, удалив часть сот, акустически возбудили решетку с помощью динамиков и измерили ее акустический отклик с помощью микрофона. Состояния, связанные с ядром дисклинации, закреплены на нулевой частоте, которую Цзин назвал «привилегированной частотой», которая гарантирует максимальное ограничение связанного состояния. Частота считается привилегированной, потому что она сводит к минимуму возможность возмущений, разрушающих связанное с ней состояние.

«Мы решили понять, могут ли топологические дефекты, такие как дисклинации, создаваться для улавливания очень ограниченных акустических мод, защищенных от возмущений», — сказал Беналькасар. «Наша основная идея заключалась в том, что, если мы рассмотрим точечную групповую симметрию дисклинации, пара дисклинационных мод не сможет спариться вдали от нулевой частоты . Этот защитный механизм является результатом взаимодействия защищенной симметрией топологической фазы кристаллической решетки. топологический заряд и симметрия дисклинации».

По словам Цзин, это первая работа, экспериментально подтверждающая существование таких защищенных состояний в ядре дисклинации. По словам исследователей, подход платформы акустической решетки предоставляет исследователям новый инструмент для создания различных дефектов и их потенциала, которые заявили, что и теория, и платформа потенциально могут применяться помимо акустики для тестирования и создания управляемых приложений с электромагнитными волнами. или квантовые системы в физике конденсированного состояния.