Forscher stellen fest, dass Unvollkommenheiten einen Schutz für die Systemsymmetrie bieten

Eine internationale Forschungskooperation hat herausgefunden, wie bestimmte Defekte ausgenutzt werden können, um eingeschlossene Energie in Akustiksystemen zu schützen. Ihr experimenteller Ansatz bietet eine vielseitige Plattform, um nach Belieben Defekte für die weitere theoretische Validierung zu erzeugen und die Kontrolle von Wellen in anderen Systemen wie Licht zu verbessern, so Studienleiter Yun Jing, außerordentlicher Professor für Akustik und Biomedizintechnik an der Penn State.

Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in Briefe zur körperlichen Überprüfung, die Flaggschiffpublikation der American Physical Society. Die Recherche wurde als „Editors‘ Suggestion“ ausgewählt und auch in einem Kommentarartikel von APS vorgestellt.

Die Arbeit bezieht sich auf Phononen und möglicherweise ihr optisches Äquivalent, Photonen, die ohne Streuung durch bestimmte Grenzen in sogenannten topologischen Gittern navigieren können. Solche Gitter wurden zuerst in kondensierter Materie entdeckt, in der Materialien aus Atomen bestehen, die sich in präzisen Mustern wiederholen und durch die Kraft ihrer Kopplung zusammengehalten werden – oder wie sie so aneinander gebunden sind, dass eine Änderung eines Partners dies beeinflussen kann Sonstiges. Laut Jing ist bekannt, dass diese Materialien topologisch geschützte Zustände beherbergen, die unverändert bleiben, selbst wenn das System bestimmte Unvollkommenheiten enthält.

Das Verschieben dieser gewünschten Zustände über ihre einschränkenden Grenzen hinaus auf den Großteil des Materials könnte zu neuen Anwendungen in der Sensorik führen, sagte Jing. Für einige Zustände erfordert eine solche Bewegung jedoch die Einführung neuer Defekte, die oft die chirale Symmetrie des Systems brechen – eine Schlüsseleigenschaft, die eine maximale Begrenzung der an den eingeführten Defekt gebundenen Zustände ermöglicht. Dies bedeutet, dass die Energie des Zustands so weit wie möglich von Moden isoliert ist, die sie verringern oder stören könnten.

„Chirale Symmetrie impliziert die Existenz eines symmetrischen Spektrums: Alle Moden im System kommen entweder paarweise vor, mit Frequenzen, die gleich weit von der Nullfrequenz entfernt sind, oder sie haben keinen Partner und sitzen genau bei der Nullfrequenz“, sagte Jing und bemerkte den zweiten Fall ist äußerst selten und tritt nur bei bestimmten Konfigurationen topologischer Defekte speziell in topologischen Gittern auf, einschließlich einer sogenannten Disklination. „Entscheidend ist jedoch, dass topologische Defekte – die notwendig sind, um den gewünschten Zustand in den Großteil des Gitters einzubetten – oft die chirale Symmetrie stören, was den Zweck einer topologischen Struktur zunichte macht.“

Die Forscher hätten Disklinationen machen können, die der chiralen Symmetrie gehorchten, aber sie fielen in die erste symmetrische Spektrumskategorie von gleichmäßig gepaarten Zuständen, die gleichmäßig von der Nullfrequenz entfernt liegen. Co-Autor Wladimir A. Benalcazar, der zum Zeitpunkt der Forschung Eberly Postdoctoral Fellow am Penn State Department of Physics war und jetzt Moore Postdoctoral Fellow an der Princeton University ist, stellte die Theorie auf, dass, da Disklinationszustände an den Kern des Defekts gebunden sind, Vielleicht könnte die Symmetrie der Disklination selbst in Betracht gezogen werden, um zu verhindern, dass sich die Zustände bei der Frequenz Null trennen.

Um dies zu testen, entwarfen die Forscher ein akustisches Wabengitter als Analogon zu einem Kristallgitter. Laut Jing ist es viel einfacher, Defekte in einem akustischen System zu konstruieren und zu manipulieren als in kristallinen Materialien. Unter Verwendung zylindrischer Hohlräume zur Darstellung von Atomen erzeugten die Forscher einen Defekt, indem sie einen Abschnitt einer Wabe entfernten, das Gitter akustisch mit Lautsprechern anregten und seine akustische Reaktion mit einem Mikrofon maßen. Die an den Kern der Disklination gebundenen Zustände sind bei einer Nullfrequenz fixiert, die Jing eine „privilegierte Frequenz“ nannte, die eine maximale Begrenzung des gebundenen Zustands garantiert. Die Frequenz wird als privilegiert angesehen, da sie die Möglichkeit minimiert, dass Störungen den an sie gebundenen Zustand zerstören.

„Wir wollten verstehen, ob topologische Defekte wie Disklinationen erzeugt werden können, um stark eingeschränkte akustische Moden einzufangen, die vor Störungen geschützt sind“, sagte Benalcazar. „Unsere Kernerkenntnis war, dass, wenn wir die Punktgruppensymmetrie der Disklination berücksichtigen, ein Paar von Disklinationsmoden daran gehindert wird, sich weg von der Nullfrequenz zu paaren. Dieser Schutzmechanismus resultiert aus dem Zusammenspiel der symmetriegeschützten topologischen Phase des Kristallgitters und die topologische Ladung und Symmetrie der Disklination.“

Dies ist die erste Arbeit, die experimentell bestätigt, dass solche geschützten Zustände im Disklinationskern existieren, sagte Jing. Der Ansatz der akustischen Gitterplattform bietet Forschern ein neuartiges Werkzeug, um eine Vielzahl von Defekten und deren Potenzial zu erzeugen, so die Forscher, die sagten, dass sowohl die Theorie als auch die Plattform möglicherweise über die Akustik hinaus angewendet werden könnten, um kontrollierte Anwendungen mit elektromagnetischen Wellen zu testen und aufzubauen oder Quantensysteme in der Physik der kondensierten Materie.