我们生活中的一个基本规则是，如果能量可以流向一个方向，那么它也可以流向相反的方向。例如，如果你打开窗户对外面的人大喊大叫，你也能听到他们的回应。但是，如果有一种方法可以为机械能创造一条“单行道”，只允许热和声音向一个方向流动，那会怎么样呢?
近年来，寻找打破这种基本对称性的新方法引起了科学家和工程师的兴趣;这种单行道可能在量子计算、电子和设备冷却等应用领域非常有用。
芝加哥大学(University of Chicago)分子工程研究所(Institute for Molecular Engineering)和耶鲁大学(Yale University)的研究人员进行了一项突破性的实验，证明利用光来调节机械系统之间的相互作用，可以为振动能量和热量的流动创造一个可控的单向通道。
这项研究发表在4月3日的《自然》(Nature)杂志上，它基于芝加哥大学(University of Chicago)团队早些时候提出的一个观点，证明了基本理论是有效的。它还表明，这些想法可以在一个简单、紧凑的系统中实现，可以集成到新设备中。
“这是一个非常令人兴奋的资源，可以在经典和量子环境中使用，”该研究的合著者、芝加哥大学分子工程学教授Aashish Clerk说，他开发了这一理论。“这项研究为许多新的研究打开了大门。”
用光打破对称性
能量和信息通过双向街道在两个系统之间交换的原理被称为“互惠”，这是大多数物理系统中的一个基本规则。打破这种对称性在许多不同的应用中是至关重要的。例如，通过防止能量的反向流动，可以保护脆弱的信号源不受损坏，或者通过防止不必要的加热来冷却系统。
这在量子计算中尤其重要，科学家利用量子现象来实现强大的新型信息处理。打破这种对称性可以确保精密的量子处理器不会在读出过程中被破坏。
在他们的实验中，研究人员使用一个微小的振动膜作为机械系统。就像鼓面一样，这种膜可以以几种不同的方式振动，每种振动都有不同的共振频率。
研究人员的目标是在这两种振动模式之间设计一种单向的能量流。为了做到这一点，薄膜被放置在一个叫做光学腔的结构中，有两个平行的镜子用来捕捉光线。通过用激光照射腔体，研究人员能够利用光作为介质，在两种振动模式之间传递机械能。当激光被仔细调谐(以克拉克理论预测的方式)，这种传输机制是完全定向的。
从理论到实验室再到量子水平
这个实验是基于Clerk和他的前博士后Anja Metelmann(现在柏林Freie大学)开发的基本理论概念。
克拉克说:“从基本理论和概念上来说，你可以提出很多令人兴奋的想法，但这些抽象的想法往往与你在实验室中实际构建和实现的东西存在差距。”“对我来说，我们的提议得以实现是令人兴奋的，而且实验人员对他们的系统有足够的控制来让它工作。”
实验中所使用的实现单向交互的方法——机械振动与光的交互——可以为设计针对多种应用的新设备铺平道路，从减少热流到新型通信系统。这些不寻常的单向交互还具有有趣的基本含义。
作为一名专注于量子系统的理论物理学家，克拉克对研究许多量子系统以单向方式相互作用的阵列特别感兴趣。这可能是产生量子通信和量子计算所需的不同寻常的量子态的一种强大的方法。
论文的其他作者包括耶鲁大学的Jack Harris, Haitan Xu和Luyao Jiang。
克拉克正在与芝加哥大学波尔斯基创业与创新中心合作，以推进他的发现。
引文:“光学机械系统中声子模的非互控与冷却”，徐海华，蒋路耀，a.a.职员，J. G. E.哈里斯。《自然》杂志，2019年4月3日。Doi: 10.1038 / s41586 – 019 – 1061 – 2
资助:美国空军科学研究办公室，西蒙斯基金会
-改编自分子工程研究所网站上的一篇文章。