Фізики побудували резонатор на модах шепочучої галереї з топологічним захистом і активним контролем фази. Вони створювали поверхневий захищений стан на кордоні двох підрешіток фононного кристала, а для контролю фази використовували термоакустичне перетворення на вуглецевих нанотрубках. Виготовлений зразок продемонстрував високий ступінь контролю станів, що рухаються в різні боки резонатора. Дослідження опубліковано в.
Акустика як наукова дисципліна існує досить давно, проте порівняно з оптикою вона вивчена і застосовується не настільки обширно. До причин цього можна віднести той факт, що для поширення звукових хвиль потрібне середовище, а також те, що їх генерація відбувається в меншому числі процесів, ніж генерація електромагнітних хвиль. Нарешті, характерна енергія квантів звукових коливань - фононів - істотно нижче енергії оптичних фотонів. Це можна вважати причиною того, чому перші мазери і лазери з'явилися тільки в середині XX століття, в той час як сазери - генератори когерентних звукових хвиль - тільки в 2010 році.
Принцип генерації звуку в сазерах такий же, як і світла в лазерах: в активному середовищі, поміщеному в резонатор, створюється інверсія населеностей на парі рівнів, різниця в енергіях яких дорівнює енергії фононів, а потім відбувається каскад вимушених переходів. При цьому сазери мають низку переваг перед лазерами. Наприклад, при тій же рівній частоті довжина хвилі звуку набагато менша, ніж у електромагнітної хвилі, отже, їх можна сфокусувати в пляму меншого розміру. Тому фізики постійно шукають нові підходи до створення елементної бази для сазерів.
Команда фізиків з Іспанії та Китаю під керівництвом Ін Чен (Ying Cheng) з Університету Нанджунга експериментально реалізувала акустичний резонатор на модах шепочучої галереї з активним контролем властивостей звукових мод. Особливістю їх роботи стало спільне використання декількох фізичних концепцій для ефективного управління генерацією, зокрема, застосування топологічно захищених поверхневих мод, а також перетворення тепла в звук за допомогою термоакустичного зв'язку у вуглецевих нанотрубках.
Топологічно захищені поверхневі стани виникають на стику двох хвильових ізоляторів з злегка властивостями, що відрізняються, в кожному з яких поширення хвилі придушено. Такі статки дуже стійкі по відношенню до дефектів і обурень, і тому стали перспективною базою для когерентної генерації хвиль (про лазерну генерацію з їх допомогою ми недавно розповідали). Щоб створити аналогічний акустичний стан, фізики виготовили почесний фононний кристал, що складається з двох підрешіток з різною орієнтацією елементарних комірок. Кожна комірка являє собою три щільноупакованих циліндри, надрукованих на 3D-принтері з ABS-пластику і вкритих плівкою з вуглецевих нанотрубок з приєднаними керуючими електродами. Така конструкція дозволяє контролювати генерацію звуку в кожному місці решітки. Автори помістили одну підрешітку в оточенні іншої, створивши таким чином замкнутий кордон, який слугував резонатором на модах шепочучої галереї для топологічно захищеної поверхневої хвилі.
У звичайних умовах хвилі, що рухаються в різних напрямках кільцевого резонатора, вироджені, тобто володіють однаковою енергією. Фізики переконалися в цьому, збудивши у своєму зразку звукову хвилю і записавши її спектр за допомогою вбудованих у нього мікрофонів. Однак точний контроль кожного циліндра в решітці дозволив їм вносити когерентну фазову затримку по всьому периметру резонатора. У цьому випадку виродження знімається, а в спектрі з'являються бічні компоненти, що відповідають хвилям різних напрямків, у чому автори переконалися експериментально. У приватному випадку, коли повний набіг фази виявився рівний 2º, центральна компонента зникла повністю, що відповідає теоретичним розрахункам.
Вчені також продемонстрували можливість просторового поділу обох компонент. Для цього вони виготовили новий зразок, в якому модифікували один з кутів таким чином, щоб утворилося два виходи з резонатора. Провівши симуляцію та експеримент, вони переконалися, що звукові хвилі з різною спрямованістю виходять зі зразка через різні виходи.
Фізики сподіваються, що активне посилення звукових хвиль у поєднанні з топологічними ізоляторами зможе відкрити нові технологічні можливості. Зокрема, при масштабуванні до мікро- і нанометрового масштабу топологічний захист може бути корисним для електромеханічної фільтрації в телекомунікаційних мережах. Крім того, виготовлення фононних кристалів з плівками з вуглецевих нанотрубок дозволить створити активні звукові середовища.
Акустичні метаматеріали дозволяють виявляти і перевіряти різноманітні фундаментальні ефекти. Нещодавно ми розповідали, як фізики побудували акустичний ізолятор Черна і як вони за допомогою фотонних кристалів отримали підтвердження парадоксу Клейна.