在一項國際合作中，荷蘭AMOLF研究所的研究人員與德國、瑞士和奧地利的同事們一起，實現了一種新型超材料，這種材料中的聲波以前所未有的方式流動。這種材料爲機械振動提供了一種新型的放大形式，有望提升傳感器技術和信息處理設備的性能。

這種超材料是所謂的“玻色Kitaev鏈”的第一個實例，它因其作爲拓撲材料的性質而具有特殊的特性。通過使納米機械諧振器通過輻射壓力與激光光相互作用，研究人員實現了這一發現。該發現發表在3月27日的著名科學期刊《自然》上，是由AMOLF、馬克斯普朗克光科學研究所、巴塞爾大學、蘇黎世聯邦理工學院和維也納大學之間的國際合作完成的。

Kitaev鏈是一個理論模型，描述了超導材料中電子的物理特性，特別是納米線中的電子。該模型因其預測了納米線末端存在特殊的激發態——Majorana零模態——而聞名。這些激發態因其在量子計算機中的潛在用途而受到了極大的關注。

AMOLF研究小組的領導者Ewold Verhagen說：“我們對一個在數學上相同，但描述光或聲波而非電子的模型感興趣。由于這些波由玻色子（光子或聲子）而非費米子（電子）組成，它們的行爲預期會非常不同。盡管如此，2018年預測了一個玻色Kitaev鏈展現出任何自然材料或現有超材料都未知的迷人行爲。盡管許多科學家對此感興趣，但實驗實現仍然難以捉摸。”

玻色Kitaev鏈本質上是一系列耦合諧振器的鏈。它是一種超材料，即具有工程化特性的合成材料：諧振器可以被視爲材料的“原子”，它們耦合在一起的方式控制了超材料的集體行爲；在這種情況下，是沿著鏈傳播聲波。

研究團隊的第一名作者Jesse Slim說：“耦合——玻色Kitaev鏈的鏈接——需要特殊，不能使用常規彈簧來制作。我們意識到，我們可以通過光施加的力量將納米機械諧振器——芯片上的小振動硅弦——相互耦合，從而實驗性地創建所需的鏈接，從而創建‘光學’彈簧。通過仔細改變激光的強度，我們允許將五個諧振器連接並實現玻色Kitaev鏈。”

結果是顯著的。光學耦合在數學上類似于費米Kitaev鏈中的超導鏈接，但未帶電的玻色子不表現出超導性；相反，光學耦合爲納米機械振動增加了放大。因此，通過陣列傳播的聲波——即機械振動——從一個端點到另一個端點被指數級放大。有趣的是，在相反方向上的振動傳輸是被禁止的。更加有趣的是，如果波被延遲一點——四分之一個振蕩周期——行爲就會完全倒轉：信號向後放大並向前阻塞。因此，玻色Kitaev鏈就像一個獨特的方向放大器，這可能對信號操縱，特別是在量子技術中，具有有趣的應用。

在電子Kitaev鏈中，Majorana零模態的有趣特性與材料是拓撲的這一事實有關。在拓撲材料中，某些現象不可避免地與材料的一般數學描述相關聯。然後，這些現象是拓撲保護的，這意味著它們是保證存在的，即使材料受到缺陷和擾動的影響。

拓撲材料的理解在2016年獲得了諾貝爾物理學獎，但這僅包括不包含放大或阻尼的材料。描述包括放大的拓撲相位仍然是一個激烈的研究和辯論話題。AMOLF研究人員與理論合作者Clara Wanjura（馬克斯普朗克光科學研究所）、Matteo Brunelli（巴塞爾大學）、Javier del Pino（蘇黎世聯邦理工學院）和Andreas Nunnenkamp（維也納大學）一起，展示了玻色Kitaev鏈實際上是一個新的拓撲物質相位。

觀察到的方向放大是與這種物質相位相關聯的拓撲現象，如理論合作者在2018年預測的那樣。他們展示了超材料拓撲性質的獨特實驗特征：如果鏈被關閉，形成一個“項鏈”，在諧振器環中的放大聲波繼續循環並達到非常高的強度，類似于在激光器中産生強光束的方式。

Verhagen說：“由于拓撲保護，放大原則上對幹擾不敏感。但有趣的是，鏈實際上對一種特定類型的幹擾非常敏感；如果鏈上最後一個諧振器的頻率受到輕微擾動，沿著鏈的放大信號可以突然反向傳播，再次經曆放大。結果是，系統對這種小擾動非常敏感，這可能是由于分子附著在諧振器上的質量和與其相互作用的量子比特引起的。”

憑借他最近獲得的ERC鞏固者資助，Verhagen希望研究如何提高這些系統中納米機械傳感器的靈敏度。“我們在實驗中看到了傳感能力的初步迹象，這非常令人興奮。我們現在需要更詳細地研究這些拓撲傳感器是如何工作的，它們在各種類型的噪聲源存在時是否增強了靈敏度，以及哪些有趣的傳感器技術可以從這些原理中受益。這僅僅是那個努力的開始。”

這項研究不僅展示了超材料在聲波放大方面的潛力，而且強調了拓撲材料在量子技術中的潛在應用。那麽，您如何看待這種新型超材料在聲波放大和傳感器技術中的應用前景？您認爲它將如何影響未來的技術發展？歡迎在評論區分享您的想法，與我們共同探討這一激動人心的技術進步。

參考資料：DOI： 10.1038/s41586-024-07174-w