物质基础研究基金会（FOM）原子分子物理研究所（AMOLF），是荷兰科学研究组织（NWO）的一部分，其使命是与学术界和工业界合作，发起并开展复杂物质物理方面的领先基础研究，并创造新的功能材料。
声音、激光、超材料：AMOLF的研究人员首次使声波沿特定的不可逆方向移动，并首次以受控方式衰减或放大声波。
AMOLF的研究团队利用由光控制的振动纳米线组成的网络，使声波朝着特定的不可逆方向移动，并首次以受控方式衰减或放大声波。这就产生了声音的激光效应。令他们惊讶的是，他们发现了新的机制，即所谓的“几何相位”，利用这种机制，他们可以在被认为不可能的系统中操纵和传输声音。“这为新型（超）材料的特性研究开辟了道路，而我们从现有材料中还不知道这些特性，”团队负责人Ewold Verhagen说，他与共同的第一作者Javier del Pino和Jesse Slim于6月2日在《自然》杂志上发表了令人惊讶的结果。
在一个由振动的纳米线组成的网络中，激光的辐射压力使声波在网络中只朝一个方向传播，同时放大振动。图片来源：AMOLF
电子和其他带电粒子对磁场的响应会导致材料中出现许多独特的现象。“长期以来，我们一直想知道是否可以在不带电荷的声音上实现类似于电子磁场的效果，”Verhagen说，“磁场对电子的影响很广泛：例如，磁场中的电子不能沿着相同的路径向相反的方向移动。这个原理是基于纳米尺度的各种奇异现象的基础，例如量子霍尔效应和拓扑绝缘体的功能（在边缘而不是体积中完美传导电流的材料）。对于许多应用来说，如果我们可以实现振动和声波的相同，从而破坏它们传播的对称性，那么它将非常有用，因此不再是时间反转对称的。”
与电子不同，机械振动没有电荷，因此它们对磁场没有反应。然而，它们对光的辐射压力很敏感。因此，Verhagen的团队使用激光来影响机械纳米谐振器。2020年，他们用同样的振动线证明，从一个谐振器跳到另一个谐振器的声音可能会破坏时间反转对称性：从一个线到另一个线的声音传递不同于相反方向的声音传递。Verhagen说：“我们现在已经证明，如果我们制作一个由多个振动纳米线组成的网络，我们可以通过用激光照射线来实现一系列非传统的振动模式。”。“例如，我们设法使声音粒子（声子）以与量子霍尔效应中的电子相同的方式向一个方向移动。”
研究人员意识到，他们还可以利用辐射压力来控制声音的放大和衰减。Verhagen解释道：“这与孩子在秋千上适时伸展或拉回双腿的方式类似。”。“这种放大或衰减对于磁场中的电子是不可能的。”
研究人员意识到，他们可以利用辐射压力来控制声音的放大和衰减。这与孩子们在秋千上的动作类似，在适当的时候伸展或拉回双腿。图片来源：Petra Klerkx
研究人员是第一个进行实验的人，在实验中，驱动光会放大声波，同时确保声波会受到类似于磁场的影响。Verhagen说：“我们发现，放大和破坏时间反转对称性的结合会导致一系列新的、意想不到的物理效应。”。“首先，激光决定了声音被放大的方向。在另一个方向，声音被阻挡。这是由几何相位引起的：一个表示声波通过纳米线网络时移动程度的量，在这种情况下，这是由辐射压力引起的。我们的实验允许我们完全控制和改变几何相位。此外，我们利用激光的辐射压力来放大声音。这种声音甚至可以自发地开始振荡，就像激光中的光一样。我们发现，我们应用的几何相位决定了这种情况是否发生，以及放大的强度。”
研究人员发现，新的几何相可以在不可能实现的系统中实现。在所有这些情况下，相位会影响声波的放大、方向和音调。“几何相在物理学的许多分支中都很重要，它描述了不同系统和材料的行为。当与磁场结合时，它们可以导致电子的拓扑绝缘体，但基于已发现原理的“声音”变体可以拥有是我们仍然需要学习的东西。但是，我们确实知道这与我们所知道的任何东西都不一样，”Verhagen说，“我们可以通过将我们控制的声学‘超材料’中的更多纳米线与光联系起来来进一步研究这种影响。但我们观察到的影响应该适用于一系列不带电荷的波，包括光、微波、冷原子等等。我们期望通过我们发现的新机制，将有可能生产出具有我们尚未从现有材料中了解的特性的新（超）材料。”
此类材料和系统具有开辟特性应用的可能。Verhagen说，“现在提供可能性的完整概述还为时过早。然而，我们已经可以识别一些潜在的方向。例如，波的单向放大器可以在量子通信中形成有效应用。我们还可以通过打破时间反转对称性，使传感器更加灵敏。”
更多信息：Ewold Verhagen,Non-Hermitian chiral phononics through optomechanically induced squeezing,Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04609-0. www.nature.com/articles/s41586-022-04609-0
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