新型拓扑超材料以指数级放大声波

荷兰原子分子国立研究所科学家与来自德国、瑞士和奥地利的伙伴合作，创造了一种新型超材料，声波能以前所未有的方式在其中流动。它提供了一种新的机械振动放大形式，具有改进传感器技术和信息处理设备的潜力。这种超材料是“玻色子基塔耶夫链”（Bosonic Kitaev chain）的首个例子，其特殊性质源自其拓扑材料性质。这一成果发表在3月27日《自然》杂志上。

玻色子基塔耶夫链（艺术图）：多个机械弦谐振器通过光连接成一条链。振动（声波）沿着链条传输和放大。图片来源：荷兰原子分子国立研究所

“基塔耶夫链”是一个理论模型，用于描述超导材料（特别是纳米线）中电子的物理现象。该模型因预测纳米线末端是否存在特殊激发而闻名，即马约拉纳零能模。2018年，有人预测，玻色子基塔耶夫链将展示出天然材料或超材料一些迄今未知的行为。

玻色子基塔耶夫链实质上是一串耦合谐振器。它是一种超材料，即具有工程性质的合成材料。谐振器可被认为是材料的“原子”，它们耦合在一起的方式控制着集体超材料的行为，在这种情况下，声波沿着链条传播。

研究人员表示，耦合器的链节必须用特殊弹簧制成。他们借助光施加的力在纳米机械谐振器之间创建所需的链接，将它们耦合起来，从而创造出“光学”弹簧。研究人员调节激光强度，可以连接5个谐振器，并实现玻色子基塔耶夫链。

研究发现，这种光学耦合会放大纳米机械振动，声波（即通过阵列传播的机械振动）从一端到另一端呈指数放大，但在相反方向上振动无法传递。如果波延迟一点（如1/4振荡周期），则行为会完全相反。因此，玻色子基塔耶夫链就像一种独特类型的定向放大器，在信号操纵方面极具潜力，特别是在量子技术中。

进一步研究还证明，玻色子基塔耶夫链实际上是物质的一中新拓扑相。正如2018年预测那样，研究人员展示了超材料拓扑性质的独特实验特征：如果链闭合，它会形成一条“项链”，放大的声波在谐振器环中不断循环并达到极高强度，类似于激光中产生的强光束。

（原标题：玻色子基塔耶夫链的首个例子：新型拓扑超材料以指数级放大声波）