Un nouveau métamatériau topologique amplifie les ondes sonores de manière exponentielle

Les métamatériaux constituent des matériaux synthétiques aux propriétés uniques. Une équipe internationale de chercheurs, menée par l’institut néerlandais AMOLF, vient de réaliser un nouveau type de métamatériau permettant une propagation sans précédent des ondes sonores. Cette découverte, publiée dans la prestigieuse revue Nature, pourrait avoir des applications prometteuses dans les technologies de capteurs et les dispositifs de traitement de l’information.

Les chercheurs ont réussi à créer le premier exemple concret d’une « chaîne de Kitaev bosonique », un modèle théorique jusqu’alors jamais réalisé expérimentalement. Cette chaîne tire ses propriétés particulières de sa nature de matériau topologique. Pour y parvenir, les scientifiques ont fait interagir des résonateurs nanomécaniques avec de la lumière laser via des forces de pression de radiation.

Le modèle de la chaîne de Kitaev, initialement développé pour décrire le comportement des électrons dans un matériau supraconducteur, est célèbre pour prédire l’existence d’excitations particulières aux extrémités d’un nanofil : les modes zéro de Majorana. Ces derniers suscitent un vif intérêt en raison de leur potentielle utilisation dans les ordinateurs quantiques.

Des « ressorts optiques » pour coupler les résonateurs

La chaîne de Kitaev bosonique est essentiellement une chaîne de résonateurs couplés. Les chercheurs ont réalisé les liens nécessaires entre les résonateurs nanomécaniques, de petites cordes vibrantes en silicium sur une puce, en les couplant à l’aide de forces exercées par la lumière, créant ainsi des «ressorts optiques».

Jesse Slim, premier auteur de l’article publié dans Nature, explique : « En faisant varier soigneusement l’intensité d’un laser au fil du temps, nous avons pu relier cinq résonateurs et mettre en œuvre la chaîne de Kitaev bosonique. »

Une amplification exponentielle et directionnelle des vibrations

Les résultats obtenus sont remarquables. Le couplage optique ajoute une amplification aux vibrations nanomécaniques. Ainsi, les ondes sonores, qui sont les vibrations mécaniques se propageant le long de la chaîne, sont amplifiées de manière exponentielle d’une extrémité à l’autre. Fait intéressant, dans la direction opposée, la transmission des vibrations est interdite.

De plus, si l’onde est légèrement retardée, d’un quart de période d’oscillation, le comportement est complètement inversé : le signal est amplifié vers l’arrière et bloqué vers l’avant. La chaîne de Kitaev bosonique agit donc comme un amplificateur directionnel unique, pouvant avoir des applications intéressantes pour la manipulation de signaux, en particulier dans les technologies quantiques.

Un métamatériau topologique aux propriétés uniques

Les chercheurs ont montré que la chaîne de Kitaev bosonique est en fait une nouvelle phase topologique de la matière. L’amplification directionnelle observée est un phénomène topologique associé à cette phase, comme l’avaient prédit les collaborateurs théoriciens en 2018.

Ils ont démontré une signature expérimentale unique de la nature topologique du métamatériau : si la chaîne est fermée, formant un «collier», les ondes sonores amplifiées dans l’anneau de résonateurs continuent de circuler et atteignent une très haute intensité, de manière similaire à la génération de faisceaux lumineux intenses dans les lasers.

Vers une amélioration des performances des capteurs ?

Ewold Verhagen, responsable du groupe AMOLF, souligne que la chaîne est particulièrement sensible à un type spécifique de perturbation. Si la fréquence du dernier résonateur de la chaîne est légèrement perturbée, les signaux amplifiés le long de la chaîne peuvent soudainement se propager à nouveau vers l’arrière, subissant une seconde amplification. Cette sensibilité accrue pourrait être exploitée pour détecter la masse d’une molécule adhérant au résonateur ou un qubit interagissant avec lui.

Grâce à une subvention du Conseil européen de la recherche (ERC), Verhagen souhaite étudier les possibilités d’améliorer la sensibilité des capteurs nanomécaniques dans ces systèmes. Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives passionnantes pour le développement de technologies de capteurs innovantes.

Légende illustration : Impression d’artiste de la chaîne bosonique de Kitaev : plusieurs résonateurs mécaniques à cordes sont reliés pour former une chaîne utilisant la lumière. Les vibrations mécaniques (ondes sonores) sont transportées et amplifiées le long de la chaîne. Crédit : Ella Maru Studio

Article : « Optomechanical realization of a bosonic Kitaev chain » – DOI: 10.1038/s41586-024-07174-w