Impressão artística da corrente bosônica Kitaev: vários ressonadores mecânicos de cordas são ligados para formar uma corrente usando luz. Vibrações mecânicas (ondas sonoras) são transportadas e amplificadas ao longo da cadeia. Crédito: Ella Maru Studio
Pesquisadores da AMOLF, trabalhando ao lado de colegas da Alemanha, Suíça e Áustria, criaram um novo tipo de metamaterial através do qual as ondas sonoras fluem de uma forma sem precedentes. Ele fornece uma nova forma de amplificação de vibrações mecânicas, que tem potencial para melhorar a tecnologia de sensores e dispositivos de processamento de informações.
Este metamaterial é o primeiro exemplo da chamada ‘cadeia bosônica de Kitaev’, que obtém suas propriedades especiais de sua natureza como material topológico. Isso foi realizado fazendo com que ressonadores nanomecânicos interagissem com a luz do laser por meio de forças de pressão de radiação. A descoberta, que é publicada no dia 27 de março na renomada revista científica Naturezafoi alcançado em uma colaboração internacional entre a AMOLF, o Instituto Max Planck para a Ciência da Luz, a Universidade de Basileia, a ETH Zurique e a Universidade de Viena.
A ‘cadeia Kitaev’ é um modelo teórico que descreve a física dos elétrons em um material supercondutor, especificamente um nanofio. O modelo é famoso por prever a existência de excitações especiais nas extremidades de tal nanofio: modos zero de Majorana. Estes ganharam intenso interesse devido ao seu possível uso em computadores quânticos.
Líder do grupo AMOLF, Ewold Verhagen: “Estávamos interessados em um modelo que parecesse matematicamente idêntico, mas descrevesse ondas como luz ou som, em vez de elétrons. Como tais ondas consistem em bósons (fótons ou fônons) em vez de férmions (elétrons), espera-se que seu comportamento seja muito diferente. No entanto, em 2018 previu-se que um cadeia bosônica de Kitaev exibe um comportamento fascinante que não é conhecido de nenhum material natural, nem de nenhum metamaterial até o momento. Embora muitos cientistas estivessem interessados, a realização experimental permaneceu indefinida.”
Molas ópticas
A cadeia bosônica de Kitaev é essencialmente uma cadeia de ressonadores acoplados. É um metamaterial, isto é, um material sintético com propriedades de engenharia: os ressonadores podem ser considerados como os “átomos” de um material, e a forma como são acoplados controla o comportamento coletivo do metamaterial; neste caso, a propagação das ondas sonoras ao longo da cadeia.
“Os acoplamentos – os elos da corrente bosônica Kitaev – precisam ser especiais e não podem ser feitos com molas comuns, por exemplo”, diz o primeiro autor do Natureza papel Jesse Slim, que se formou cum laude no ano passado. “Percebemos que poderíamos criar experimentalmente as ligações necessárias entre ressonadores nanomecânicos – pequenas cordas vibrantes de silício em um chip – acoplando-os com a ajuda de forças exercidas pela luz; criando assim molas ‘ópticas’. Variar cuidadosamente a intensidade de um laser ao longo do tempo permitiu ligar cinco ressonadores e implementar a cadeia bosônica de Kitaev.”
Amplificação exponencial
O resultado foi impressionante.
“O acoplamento óptico se assemelha matematicamente aos elos supercondutores da cadeia fermiônica de Kitaev”, diz Verhagen. “Mas os bósons sem carga não exibem supercondutividade; em vez disso, o acoplamento óptico adiciona amplificação às vibrações nanomecânicas. Como resultado, as ondas sonoras, que são as vibrações mecânicas que se propagam através do conjunto, são amplificadas exponencialmente de uma extremidade à outra. Curiosamente, na direção oposta é proibida a transmissão de vibrações. E ainda mais intrigante, se a onda for atrasada um pouco – por um quarto de período de oscilação – o comportamento é completamente invertido: o sinal é amplificado para trás e bloqueado para frente. A cadeia bosônica de Kitaev atua, portanto, como um tipo único de amplificador direcional, que poderia ter aplicações interessantes para manipulação de sinais, em particular na tecnologia quântica.”
Metamaterial topológico
As propriedades interessantes dos modos zero de Majorana na cadeia eletrônica de Kitaev estão ligadas ao fato de o material ser topológico. Em materiais topológicos, certos fenômenos estão invariavelmente ligados à descrição matemática geral do material. Esses fenômenos são então protegidos topologicamente, o que significa que sua existência é garantida, mesmo que o material sofra defeitos e perturbações.
A compreensão dos materiais topológicos recebeu o Prêmio Nobel de Física em 2016, mas abrangeu apenas materiais que não apresentam amplificação ou amortecimento. A descrição das fases topológicas que incluem amplificação ainda é um tema de intensa pesquisa e debate. Juntamente com os colaboradores teóricos Clara Wanjura (Instituto Max Planck para a Ciência da Luz), Matteo Brunelli (Universidade de Basileia), Javier del Pino (ETH Zurique) e Andreas Nunnenkamp (Universidade de Viena), os pesquisadores da AMOLF mostraram que o bosônico Kitaev cadeia é na verdade uma nova fase topológica da matéria.
A amplificação direcional observada é um fenômeno topológico associado a esta fase da matéria, conforme previram os colaboradores da teoria em 2018. Eles demonstraram uma assinatura experimental única da natureza topológica do metamaterial: se a cadeia for fechada, forma-se um ‘colar ‘, as ondas sonoras amplificadas no anel dos ressonadores continuam circulando e atingem uma intensidade muito alta, semelhante à forma como fortes feixes de luz são gerados nos lasers.
Aumentando o desempenho do sensor?
Verhagen: “Devido à proteção topológica, a amplificação é, em princípio, insensível a perturbações. Mas, curiosamente, a cadeia é de facto extremamente sensível a um tipo particular de perturbação; se a frequência do último ressonador da cadeia for ligeiramente perturbada, os sinais amplificados ao longo da cadeia podem viajar subitamente para trás novamente, experimentando amplificação uma segunda vez. O resultado é que o sistema é muito sensível a uma perturbação tão pequena, que pode ser causada pela massa de uma molécula aderida ao ressonador ou por um qubit interagindo com ele.”
Com o ERC Consolidator Grant que adquiriu recentemente, Verhagen quer investigar as possibilidades de aumentar a sensibilidade dos sensores nanomecânicos nestes sistemas. “Vimos os primeiros indícios das capacidades de detecção nas nossas experiências, o que é muito entusiasmante. Precisamos agora investigar mais detalhadamente como funcionam estes sensores topológicos, se a sensibilidade é aumentada na presença de vários tipos de fontes de ruído e quais tecnologias de sensores interessantes podem beneficiar destes princípios. Este é apenas o começo desse esforço.”
Referência: “Realização optomecânica da cadeia bosônica de Kitaev” por Jesse J. Slim, Clara C. Wanjura, Matteo Brunelli, Javier del Pino, Andreas Nunnenkamp e Ewold Verhagen, 27 de março de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07174-w
