在一项国际合作中，荷兰AMOLF研究所的研究人员与德国、瑞士和奥地利的同事们一起，实现了一种新型超材料，这种材料中的声波以前所未有的方式流动。这种材料为机械振动提供了一种新型的放大形式，有望提升传感器技术和信息处理设备的性能。

这种超材料是所谓的“玻色Kitaev链”的第一个实例，它因其作为拓扑材料的性质而具有特殊的特性。通过使纳米机械谐振器通过辐射压力与激光光相互作用，研究人员实现了这一发现。该发现发表在3月27日的著名科学期刊《自然》上，是由AMOLF、马克斯普朗克光科学研究所、巴塞尔大学、苏黎世联邦理工学院和维也纳大学之间的国际合作完成的。

Kitaev链是一个理论模型，描述了超导材料中电子的物理特性，特别是纳米线中的电子。该模型因其预测了纳米线末端存在特殊的激发态——Majorana零模态——而闻名。这些激发态因其在量子计算机中的潜在用途而受到了极大的关注。

AMOLF研究小组的领导者Ewold Verhagen说：“我们对一个在数学上相同，但描述光或声波而非电子的模型感兴趣。由于这些波由玻色子（光子或声子）而非费米子（电子）组成，它们的行为预期会非常不同。尽管如此，2018年预测了一个玻色Kitaev链展现出任何自然材料或现有超材料都未知的迷人行为。尽管许多科学家对此感兴趣，但实验实现仍然难以捉摸。”

玻色Kitaev链本质上是一系列耦合谐振器的链。它是一种超材料，即具有工程化特性的合成材料：谐振器可以被视为材料的“原子”，它们耦合在一起的方式控制了超材料的集体行为；在这种情况下，是沿着链传播声波。

研究团队的第一名作者Jesse Slim说：“耦合——玻色Kitaev链的链接——需要特殊，不能使用常规弹簧来制作。我们意识到，我们可以通过光施加的力量将纳米机械谐振器——芯片上的小振动硅弦——相互耦合，从而实验性地创建所需的链接，从而创建‘光学’弹簧。通过仔细改变激光的强度，我们允许将五个谐振器连接并实现玻色Kitaev链。”

结果是显著的。光学耦合在数学上类似于费米Kitaev链中的超导链接，但未带电的玻色子不表现出超导性；相反，光学耦合为纳米机械振动增加了放大。因此，通过阵列传播的声波——即机械振动——从一个端点到另一个端点被指数级放大。有趣的是，在相反方向上的振动传输是被禁止的。更加有趣的是，如果波被延迟一点——四分之一个振荡周期——行为就会完全倒转：信号向后放大并向前阻塞。因此，玻色Kitaev链就像一个独特的方向放大器，这可能对信号操纵，特别是在量子技术中，具有有趣的应用。

在电子Kitaev链中，Majorana零模态的有趣特性与材料是拓扑的这一事实有关。在拓扑材料中，某些现象不可避免地与材料的一般数学描述相关联。然后，这些现象是拓扑保护的，这意味着它们是保证存在的，即使材料受到缺陷和扰动的影响。

拓扑材料的理解在2016年获得了诺贝尔物理学奖，但这仅包括不包含放大或阻尼的材料。描述包括放大的拓扑相位仍然是一个激烈的研究和辩论话题。AMOLF研究人员与理论合作者Clara Wanjura（马克斯普朗克光科学研究所）、Matteo Brunelli（巴塞尔大学）、Javier del Pino（苏黎世联邦理工学院）和Andreas Nunnenkamp（维也纳大学）一起，展示了玻色Kitaev链实际上是一个新的拓扑物质相位。

观察到的方向放大是与这种物质相位相关联的拓扑现象，如理论合作者在2018年预测的那样。他们展示了超材料拓扑性质的独特实验特征：如果链被关闭，形成一个“项链”，在谐振器环中的放大声波继续循环并达到非常高的强度，类似于在激光器中产生强光束的方式。

Verhagen说：“由于拓扑保护，放大原则上对干扰不敏感。但有趣的是，链实际上对一种特定类型的干扰非常敏感；如果链上最后一个谐振器的频率受到轻微扰动，沿着链的放大信号可以突然反向传播，再次经历放大。结果是，系统对这种小扰动非常敏感，这可能是由于分子附着在谐振器上的质量和与其相互作用的量子比特引起的。”

凭借他最近获得的ERC巩固者资助，Verhagen希望研究如何提高这些系统中纳米机械传感器的灵敏度。“我们在实验中看到了传感能力的初步迹象，这非常令人兴奋。我们现在需要更详细地研究这些拓扑传感器是如何工作的，它们在各种类型的噪声源存在时是否增强了灵敏度，以及哪些有趣的传感器技术可以从这些原理中受益。这仅仅是那个努力的开始。”

这项研究不仅展示了超材料在声波放大方面的潜力，而且强调了拓扑材料在量子技术中的潜在应用。那么，您如何看待这种新型超材料在声波放大和传感器技术中的应用前景？您认为它将如何影响未来的技术发展？欢迎在评论区分享您的想法，与我们共同探讨这一激动人心的技术进步。

参考资料：DOI： 10.1038/s41586-024-07174-w