Китайські фізики побудували перший прототип акустичного ізолятора Черна, в якому звукові хвилі з частотою близько двох тисяч герц незворотні і топологічно захищені. Для цього вчені використовували метаатоми з обертовими роторами, які підтримували октупольні резонанси і володіли акустичною незворотністю. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє, препринт роботи викладено на сайті arXiv.org.
У 1987 році група вчених з Фізичного інституту імені Лебедєва (ФІАН) теоретично передбачила, що на краю тонких плівок телуріда свинцю, затиснутих між шарами телуріду кадмію, виникають невироджені електронні стани. Отже, по межі цих матеріалів повинен текти електричний струм, хоча в обсязі обидва матеріали є ізоляторами. Більш того, електронні стани не можуть зруйнуватися через дефекти матеріалу або підвищення температури, оскільки вони топологічно захищені симетрією щодо обігу часу (Т-симетрія). У 2007 році група фізиків під керівництвом Шоу-Чен Чжана (Shou-Cheng Zhang) експериментально підтвердила передбачення вчених з ФІАНу, а ще через кілька років дослідники відкрили інші матеріали зі схожими властивостями. Зараз такі матеріали називають топологічними ізоляторами. Вважається, що топологічні ізолятори допоможуть розробити квантові комп'ютери, які не будуть допускати помилки в ході обчислень завдяки топологічному захисту кубітів.
Крім того, кілька років тому вчені розширили концепцію топологічного ізолятора на «класичні» системи - наприклад, звукові хвилі, які переносяться квазічастинками-фононами. Щоб відтворити виродженість електронного газу і ввести аналог псеводспіну для фононів, фізики пожертвували частиною просторових ступенів свободи псевдочастинок. Більш того, щоб уникнути розсіювання фононів в межах однієї валентної зони, вченим також довелося пожертвувати симетрією щодо обігу часу, тобто порушити принцип обратимості. Іншими словами, звук у такому ізоляторі поширюється тільки в одну сторону, немов у діоді. Щоб підкреслити, що Т-симетрія системи порушена, такий топологічний ізолятор називають ізолятором Чорна. У різних роботах дослідники домагалися незворотності за допомогою нелінійних ефектів або ефекту гіроскопа. На жаль, такі ізолятори вийшли нестабільними, або працювали в незручних діапазонах, а тому використовувати їх на практиці було не можна.
Група вчених під керівництвом Цзяньчунь Чена (Jianchun Cheng) подолала цей недолік і побудувала метаатом, в якому стабільний і однорідний звуковий потік поширюється в задану сторону по поверхні резонатора у вигляді кільця. З'єднуючи такі метаатоми в почесну решітку, фізики отримали почесний акустичний ізолятор Черна, що нагадує «фононний графен». Крім того, дослідники відтворили в такому метаматеріалі акустичний аналог нормального квантового ефекту Холла. Квантовий ефект Холла полягає в тому, що при низьких температурах опір металевого зразка, поміщеного в сильне магнітне поле, змінюється стрибкоподібно.
Характерний діаметр метаатому становить приблизно 10 сантиметрів, і влаштований «штучний атом» наступним чином. Всередині метаатому розташований круглий ротор з лопатями, нахиленими під кутом 49 градусів до перпендикуляра. Ротор приводиться в рух моторчиком, який обертає його зі швидкістю до десяти радіан в секунду в позитивному або негативному напрямку (по годинниковій стрілці або проти). У результаті всередині метаатому циркулюють потоки повітря зі швидкістю до 90 сантиметрів на секунду. Для низькочастотних звукових хвиль такий метаатом можна розглядати як резонатор, в якому виникають коливання різних порядків. Зокрема, в цій роботі вчені вибрали октупольну моду коливань, яка забезпечує більш високу добротність резонансу і порушує принцип зворотності при більш низьких частотах обертання, ніж більш низькі моди. Зовні метаатома розташовані три виходи, до яких можна прикріпити пластикову трубку-хвилевод, довжина якого - 40 сантиметрів.
Потім вчені з'єднали два метаатоми, ротори яких оберталися в один і той же бік, і отримали елементарний осередок метаматеріалу. Численні розрахунки показують, що звукові хвилі, які пропускаються крізь таку комірку, незворотні. Щоб підтвердити цю гіпотезу, фізики направляли на вільний вхід одного з метаатомів звукові хвилі фіксованої частоти, а потім вимірювали коефіцієнти проходження на вільних виходах другого метаатому комірки. При частотах з діапазону 1930-1970 герц картина виходила несиметричною: зокрема, при частоті 1960 герц практично весь звук виходив через хвилевод, що дивиться під кутом до вхідної хвилі, - ставлення потужностей на виходах відрізнялося більш ніж у десять разів.
Нарешті, фізики відновили шестикутну структуру почесного метаматеріалу, багато разів повторюючи елементарну комірку (сумарно зразок містив 28 метаатомів). Теоретичні розрахунки показують, що зони провідності в обсязі такого матеріалу мають відмінні від нуля значення числа Чорна. Така ситуація аналогічна електронному топологічному ізолятору в зовнішньому постійному магнітному полі. Отже, побудований метаматеріал повинен бути акустичним ізолятором Черна, по краях якого біжить спрямована звукова хвиля. Щоб перевірити це припущення, вчені запускали звукові хвилі в один з вільних входів і вимірювали інтенсивність коливань в центрі і на краях метаматеріалу. Насправді, при частотах з діапазонів 1935-1945 і 1955-1965 Герц коливання майже не потрапляли всередину метаматеріалу і бігли в одному напрямку вздовж його країв. Коли фізики змінювали напрямок обертання роторів всередині метаатомів, межі діапазонів трохи зміщувалися, проте метаматеріал зберігав властивості ізолятора Чорна.
Таким чином, вчені виготовили перший прототип акустичного ізолятора Черна, в якому звукові хвилі незворотні і топологічно захищені. Автори вважають, що такі пристрої можуть стати в нагоді для акустичного зв'язку, контролю шуму і медичних ультразвукових досліджень (УЗД).
В даний час фізики активно вивчають топологічні ізолятори. Наприклад, у жовтні 2017 року дослідники з Німеччини, Австрії та Чехії виявили в топологічних ізоляторах новий вид переходів між фазами з різними типами топологічного захисту. У грудні група вчених із США і Китаю вперше виготовила почесний топологічний ексітонний ізолятор, використовуючи «зчеплення» електронів і дірок із сусідніх шарів структури. У січні 2018 фізики з США і Швейцарії вперше побудували фононний квадрупольний топологічний ізолятора, з'єднуючи між собою тонкі кремнієві платівки. А в листопаді відразу дві групи вчених незалежно виявили, що при температурах нижче одного кельвіна почесний топологічний ізолятор - дителлурид вольфраму - перетворюється на надпровідник.
У січні минулого року вчені з університету Чикаго і Техніона виготовили прототип почесного ізолятора Черна за допомогою системи пов'язаних гіроскопів. Незважаючи на те, що гіроскопи були розкидані по площині абсолютно випадково, тобто система не володіла дальнім порядком, по її краях бігли кіральні хвилі, що не проникають всередину структури. При цьому напрямок хвиль визначався числом Чорна системи. Крім того, маючи гіроскопи у вершинах певної решітки і запускаючи по її краях хвилю коливань, вчені могли «написати» на системі слово.