Uma colaboração internacional de pesquisa descobriu como explorar certos defeitos para proteger energia confinada em sistemas acústicos. Sua abordagem experimental fornece uma plataforma versátil para criar defeitos à vontade para validação teórica adicional e melhorar o controle de ondas em outros sistemas, como a luz, de acordo com o pesquisador principal Yun Jing, professor associado de acústica e engenharia biomédica da Penn State.
A equipe publicou seus resultados em Cartas de Revisão Física , a principal publicação da American Physical Society. A pesquisa foi selecionada como a "Sugestão dos Editores" e também foi destaque em um artigo de comentário da APS.

O trabalho se refere a fônons e, potencialmente, seus equivalentes ópticos, fótons, que podem navegar por limites específicos nas chamadas redes topológicas sem espalhamento. Essas redes foram descobertas pela primeira vez na matéria condensada, na qual os materiais consistem em átomos que se repetem em padrões precisos, mantidos juntos pela força de seus acoplamentos – ou como eles estão ligados uns aos outros de tal forma que uma mudança em um parceiro pode influenciar o outro. De acordo com Jing, esses materiais são conhecidos por hospedarem estados topologicamente protegidos, que permanecem inalterados mesmo que o sistema contenha certas imperfeições.

Mover esses estados desejados além de seus limites restritivos para a maior parte do material pode levar a novas aplicações em sensoriamento, disse Jing. No entanto, para alguns estados, tal movimento requer a introdução de novos defeitos que muitas vezes quebram a simetria quiral do sistema – uma propriedade chave que permite o confinamento máximo dos estados ligados ao defeito introduzido. Isso significa que a energia do estado está o mais isolada possível de modos que poderiam diminuí-la ou perturbá-la.

“A simetria quiral implica a existência de espectro simétrico:todos os modos no sistema vêm em pares, com frequências equidistantes da frequência zero, ou não têm um parceiro e ficam exatamente na frequência zero”, disse Jing, observando que o segundo caso é extremamente raro e ocorre apenas em configurações particulares de defeitos topológicos especificamente em redes topológicas, incluindo um chamado de disclinação. "Crucialmente, no entanto, os defeitos topológicos - que são necessários para incorporar o estado desejado na estrutura da rede - geralmente interrompem a simetria quiral, o que anula o propósito de ter uma estrutura topológica para começar."

Os pesquisadores poderiam ter feito discriminações que obedecessem à simetria quiral, mas caíram na primeira categoria de espectro simétrico de estados uniformemente emparelhados situados uniformemente longe da frequência zero. O coautor Wladimir A. Benalcazar, que era bolsista de pós-doutorado Eberly no Departamento de Física da Penn State na época da pesquisa e agora é bolsista de pós-doutorado de Moore na Universidade de Princeton, teorizou que, uma vez que os estados de discriminação estão vinculados ao núcleo do defeito, talvez a simetria da própria declinação possa ser considerada para evitar que os estados na frequência zero se separem.

Para testar isso, os pesquisadores projetaram uma treliça acústica de favo de mel como um análogo a uma treliça de cristal. De acordo com Jing, é muito mais fácil projetar e manipular defeitos em um sistema acústico do que em materiais cristalinos. Usando cavidades cilíndricas para representar átomos, os pesquisadores criaram um defeito removendo uma seção do favo de mel, excitando acusticamente a treliça com alto-falantes e medindo sua resposta acústica com um microfone. Os estados vinculados ao núcleo da disciplina são fixados na frequência zero, que Jing chamou de "frequência privilegiada" que garante o confinamento máximo do estado vinculado. A frequência é considerada privilegiada porque minimiza a possibilidade de perturbações destruírem o estado vinculado a ela.

"Nós começamos a entender se os defeitos topológicos, como as declinações, podem ser criados para capturar modos acústicos altamente confinados que são protegidos de perturbações", disse Benalcazar. "Nossa percepção principal foi que, se considerarmos a simetria do grupo de pontos da declinação, um par de modos de declinação é impedido de emparelhar fora da frequência zero. Esse mecanismo de proteção resulta da interação da fase topológica protegida por simetria da rede cristalina e a carga topológica e simetria da declinação."

Este é o primeiro trabalho que valida experimentalmente que tais estados protegidos existem no núcleo de discriminação, disse Jing. A abordagem da plataforma de treliça acústica fornece uma nova ferramenta para os pesquisadores criarem uma variedade de defeitos e seu potencial, de acordo com os pesquisadores, que disseram que tanto a teoria quanto a plataforma poderiam ser aplicadas além da acústica para testar e construir aplicativos controlados com ondas eletromagnéticas ou sistemas quânticos na física da matéria condensada. + Explorar mais

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