Une collaboration de recherche internationale a découvert comment exploiter certains défauts pour protéger l’énergie confinée dans les systèmes acoustiques. Leur approche expérimentale fournit une plate-forme polyvalente pour créer des défauts à volonté pour une validation théorique plus poussée et pour améliorer le contrôle des ondes dans d’autres systèmes, tels que la lumière, selon le chercheur principal Yun Jing, professeur agrégé d’acoustique et de génie biomédical à Penn State.
L’équipe a publié ses résultats dans Lettres d’examen physique, la publication phare de l’American Physical Society. La recherche a été sélectionnée comme « Suggestion des éditeurs » et a également été présentée dans un article de commentaire par APS.
Les travaux portent sur les phonons, et potentiellement leur équivalent optique, les photons, qui peuvent traverser des frontières spécifiques dans des réseaux dits topologiques sans diffusion. De tels réseaux ont été découverts pour la première fois dans la matière condensée, dans laquelle les matériaux sont constitués d’atomes se répétant selon des motifs précis, maintenus ensemble par la force de leurs couplages – ou comment ils sont liés les uns aux autres de telle manière qu’un changement chez un partenaire peut influencer le autre. Selon Jing, ces matériaux sont connus pour héberger des états topologiquement protégés, qui restent inchangés même si le système contient certaines imperfections.
Déplacer ces états souhaités au-delà de leurs limites restrictives vers la majeure partie du matériau pourrait conduire à de nouvelles applications dans la détection, a déclaré Jing. Cependant, pour certains états, un tel mouvement nécessite l’introduction de nouveaux défauts qui brisent souvent la symétrie chirale du système – une propriété clé qui permet un confinement maximal des états liés au défaut introduit. Cela signifie que l’énergie de l’État est aussi isolée que possible des modes qui pourraient la diminuer ou la perturber.
« La symétrie chirale implique l’existence d’un spectre symétrique : tous les modes du système viennent soit par paires, avec des fréquences équidistantes de la fréquence zéro, soit ils n’ont pas de partenaire et se situent exactement à la fréquence zéro », a déclaré Jing, notant que le deuxième cas est extrêmement rare et ne se produit que dans des configurations particulières de défauts topologiques spécifiquement dans les réseaux topologiques, y compris celui appelé disclination. « Essentiellement, cependant, les défauts topologiques – qui sont nécessaires pour intégrer l’état souhaité dans la majeure partie du réseau – perturbent souvent la symétrie chirale, ce qui va à l’encontre de l’objectif d’avoir une structure topologique pour commencer. »
Les chercheurs auraient pu faire des disclinations qui obéissaient à la symétrie chirale, mais elles tombaient dans la première catégorie de spectre symétrique d’états uniformément appariés situés à égale distance de la fréquence zéro. Le co-auteur Wladimir A. Benalcazar, qui était boursier postdoctoral Eberly au département de physique de Penn State au moment de la recherche et est maintenant boursier postdoctoral Moore à l’Université de Princeton, a émis l’hypothèse que, puisque les états de disclination sont liés au noyau du défaut, peut-être la symétrie de la disclination elle-même pourrait-elle être envisagée pour empêcher les états à fréquence nulle de se séparer.
Pour tester cela, les chercheurs ont conçu un réseau acoustique en nid d’abeille comme analogue à un réseau cristallin. Selon Jing, il est beaucoup plus facile de concevoir et de manipuler des défauts dans un système acoustique que dans des matériaux cristallins. En utilisant des cavités cylindriques pour représenter les atomes, les chercheurs ont créé un défaut en retirant une section de nid d’abeilles, excité acoustiquement le réseau avec des haut-parleurs et mesuré sa réponse acoustique avec un microphone. Les états liés au cœur de la disclination sont épinglés à une fréquence nulle, ce que Jing a appelé une « fréquence privilégiée » qui garantit un confinement maximal de l’état lié. La fréquence est considérée comme privilégiée car elle minimise la possibilité que des perturbations détruisent l’état qui lui est lié.
« Nous cherchons à comprendre si des défauts topologiques, tels que des déclinaisons, peuvent être créés pour piéger des modes acoustiques hautement confinés qui sont protégés des perturbations », a déclaré Benalcazar. « Notre idée de base était que, si nous considérons la symétrie du groupe ponctuel de la disclination, une paire de modes de disclination est empêchée de s’apparier à une fréquence nulle. Ce mécanisme de protection résulte de l’interaction de la phase topologique protégée par la symétrie du réseau cristallin. et la charge topologique et la symétrie de la disclination. »
Il s’agit du premier travail validant expérimentalement que de tels états protégés existent dans le noyau de disclination, a déclaré Jing. L’approche de la plate-forme de réseau acoustique fournit un nouvel outil aux chercheurs pour créer une variété de défauts et leur potentiel, selon les chercheurs, qui ont déclaré que la théorie et la plate-forme pourraient potentiellement être appliquées au-delà de l’acoustique pour tester et créer des applications contrôlées avec des ondes électromagnétiques. ou les systèmes quantiques en physique de la matière condensée.
Yuanchen Deng et al, Observation d’états topologiques dégénérés à énergie nulle à des déclinaisons dans un réseau acoustique, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.128.174301