Trillingen op een chip voelen magnetisch veld

Licht verbindt snaren van nanogitaar

AMOLF-onderzoekers zijn erin geslaagd om het gedrag van mechanische trillingen op een chip te laten lijken op elektrische stroom in een magnetisch veld. Dankzij hun lading worden elektronen beïnvloed door magnetische velden; die zorgen er bijvoorbeeld voor dat elektronen zich in een curve voortbewegen. Geluidsgolven, of beter gezegd voortbewegende mechanische trillingen, voelen een magnetisch veld niet omdat ze geen lading dragen. Door snaren op de nanometerschaal te beschijnen met laserlicht konden de onderzoekers de mechanische trillingen laten springen van de ene snaar naar de andere, op dezelfde manier als elektronen in een magnetisch veld. Dit biedt nieuwe manieren om geluidsgolven te beïnvloeden – en daarmee ook de informatie die ze overbrengen op chips. De onderzoekers publiceren hun resultaten op 3 februari 2020 in Nature Nanotechnology.

Geladen deeltjes kunnen met magnetische velden worden gecontroleerd, zoals in elektrische motoren en deeltjesversnellers, en dit leidt tot vele unieke verschijnselen in materialen. Een elektron dat een pad volgt in een magnetisch veld zal niet hetzelfde pad terug volgen als het in de tegenovergestelde richting wordt gestuurd. Dit principe ligt aan de basis van allerhande exotisch gedrag van elektronen op de nanometerschaal. “Voor veel toepassingen zou het nuttig zijn als we hetzelfde kunnen doen voor trillingen en geluidsgolven, en dat we dus hun symmetrische manier van voortplanten kunnen breken”, zegt Ewold Verhagen die bij AMOLF de groep Photonic Forces leidt. “Maar dit is makkelijker gezegd dan gedaan want mechanische trillingen hebben geen lading, en dit maakt ze onzichtbaar voor magnetische krachten.”

Licht verbindt snaren van nanogitaar
Verhagen en zijn groepsleden John Mathew en Javier del Pino omzeilden dit probleem als volgt. Ze lieten twee nanometerschaal silicium snaren trillen, ieder op een eigen frequentie. In principe zijn die snaren niet in staat om de trilling van een naastgelegen snaar over te nemen, maar door de interactie met laserlicht verandert dit. Verhagen: “op deze ultrakleine lengteschalen hebben fotonen een wisselwerking met de nanosnaren dankzij de kracht die licht uitoefent. Deze kracht is evenredig aan de intensiteit van licht. Trillende snaren kunnen de lichtintensiteit een klein beetje veranderen. Wanneer twee snaren beiden belicht worden zullen de trillingen in de eerste snaar invloed hebben op de stralingskracht die op de tweede snaar werkt. Bij een juiste frequentie zal de tweede snaar dan ook gaan trillen.”

Simuleren van een magnetisch veld
Aangezien de snaren op verschillende frequenties trillen zit de truc in de laserstraal die ze verlicht. Dit is niet zo maar laserlicht, maar heeft een intensiteit die gevarieerd wordt met een zorgvuldig gekozen frequentie die precies gelijk is aan het frequentieverschil tussen de twee snaren. Met andere woorden: de ‘modulatiefrequentie’ plus de trillingsfrequentie van de eerste snaar is precies gelijk aan de frequentie van de tweede snaar.

“Dit betekent dat een trilling in de eerste snaar overgebracht kan worden naar de tweede snaar, ook al verschillen ze qua toonhoogte. En dit gebeurt dan ook nog met een kleine vertraging (fase)”, zegt Verhagen. “En ook als we de tweede snaar ‘bespelen’, kan die trilling overgebracht worden op de eerste snaar. In dit geval is de tijdsvertraging precies omgekeerd. We zien dus dat het voortbewegen van trillingen verschillend is bij tegenovergestelde richtingen: de symmetrie die we normaal gesproken zien bij voortplantende mechanische trillingen (geluid) is gebroken.” Bij de eerder omschreven situatie van elektronen in een sterk magnetisch veld gebeurt hetzelfde. Verhagen: “in feite simuleren we een magnetisch veld voor de deeltjes zonder lading, de fononen die samen de geluidsgolf vormen. Wij zijn de eerste die dit gedaan hebben met een experiment op de nanometerschaal.”

Impressie van twee nanosnaren gekoppeld met licht. Omdat de snaren niet even lang zijn, kunnen ze hun trillingen niet op elkaar overbrengen: ze trillen namelijk op verschillende frequenties. Met de lichtkrachten van een gemoduleerde laser kan dat wel. En die lichtkracht breekt de symmetrie van de overbrenging: in tegenovergestelde richting krijgt de trilling een omgekeerde vertraging mee, net als een elektron in een magnetisch veld.

Echovrij geluid
Een ‘magnetisch veld’ voor geluid biedt op termijn toepassingsmogelijkheden voor mechanische resonatoren op de nanometerschaal. “We denken aan allerlei bijzondere vormen van geluidsgolven gecontroleerd door licht”, vertelt Verhagen enthousiast. “Zoals een eenrichtingsweg voor geluid, waarbij de trillingen niet als echo terugvallen. Of zelfs een geluidsvariant van een topologische isolator waarvan de bulk van het materiaal ondoordringbaar is voor het geluid en de trillingen die zich aan de randen ophouden. Nanomechanische resonatoren worden in toenemende mate gebruikt als sensoren en voor het verwerken van signalen in mobiele telefoons. Dus als we deze processen beter beheersen biedt dat vooruitzichten op betere functionaliteiten. Maar onze ontdekkingen zijn vooral van belang voor een beter fundamenteel begrip van geluid. De ontdekking van het gedrag van elektronen in een magnetisch veld heeft geleid tot verschillende Nobelprijs ontdekkingen zoals het Kwantum-Hall-Effect, en ligt ten grondslag aan speciale eigenschappen van grafeen en Majorana-deeltjes. Wie weet wat voor spannende ontdekkingen er nog komen op het gebied van geluidsgolven in een ‘magnetisch’ veld.

Referentie
J.P. Mathew, J. del Pino, and E. Verhagen, Synthetic gauge fields for phonon transport in a nano-optomechanical system, Nature Nanotechnology, 2020, DOI: 10.1038/s41565-019-0630-8