Noi progrese în fizică în domeniul materiei topologice

Noul metamaterial proiectat de cercetători. Credit: Coulais et al.

Uneori, interiorul unui material poate determina ce se întâmplă în exterior. O echipă de fizicieni de la Universitatea din Amsterdam a conceput o nouă modalitate de a utiliza acest adevăr general, în special în sistemele care nu conservă energia. Rezultatele au fost publicate în Lucrările Academiei Naționale de Științe.

În fizică și matematică, topologie este studiul formelor și formelor în general. Topologiei nu îi pasă de detalii bune, dar întreabă ce se poate învăța despre un sistem din proprietățile sale mai globale. De exemplu, în topologie, o gogoșară și o verighetă sunt practic aceleași: ambele sunt forme solide cu o singură gaură. Un covrig, totuși, cu două sau trei găuri, ar fi considerat o formă topologic diferită.

Volum și limită

Topologia are promisiunea de a revoluționa tehnologiile din multe domenii, de la electronica cuantică la acustică și mecanică. Topologia joacă, de asemenea, un rol în multe materiale. O proprietate fundamentală a materiei topologice este așa-numita corespondență masivă la frontieră: o cantitate topologică simplă observată în interiorul materialului poate prezice apariția undelor situate la marginile materialului.

O lege binecunoscută a fizicii afirmă că energia este conservată: poate fi transformată de la o formă la alta (prin rotirea unei mingi pe un deal, de exemplu, prin schimbarea energiei gravitaționale în energie de mișcare), dar nu este pierde sau pur și simplu apare de nicăieri. Cu toate acestea, această lege este valabilă numai în sistemele idealizate perfect izolate de mediul lor. În sistemele fizice din viața reală, energia face pierde-te, de exemplu pur și simplu pentru că iese (risipeste a) sistemului. Prin contrast, în știința materialelor sunt acum construite „materiale active”, care în realitate câştig energie din mediul lor.

Recent, a existat o explozie de activitate cu scopul de a generaliza conceptul de topologie la sisteme mai reale în care energia poate fi pierdută sau injectată. Cu toate acestea, în ciuda eforturilor intense, nu s-a observat experimental un comportament al undelor topologice de margine în sisteme care nu conservă energia. Într-un nou articol apărut în revistă Lucrările Academiei Naționale de Științe săptămâna aceasta, o echipă de fizicieni de la Universitatea din Amsterdam a făcut două progrese în acest domeniu vibrant.

De la teorie la material

În primul rând, echipa a descoperit o nouă formă de corespondență de masă: o nouă relație între interiorul unui material și ceea ce se întâmplă la limita acestuia, valabilă în special pentru acele sisteme care nu conservă energie. S-a dovedit că un anume a schimba în topologia interiorului materialului, aceasta duce la o schimbare a locației efectelor asemănătoare undelor la margini.

Model teoretic și metamaterial real

De la un model teoretic (superior) la un metamaterial real (inferior). Credit: Coulais et al.

În al doilea rând, echipa a concretizat această descoperire teoretică construind din roți dințate, tije, pârghii și roboți mici, un metamaterial specific cu proprietatea teoretic previzionată. De fapt, cele mai favorabile mijloace de a vedea efectul topologiei asupra propagării undelor sunt aceste metamateriale, care sunt fabricate artificial sisteme compozite ca dispoziții de unități identice. Figura de mai sus prezintă un exemplu unidimensional: fiecare componentă „vorbește” doar vecinilor săi din stânga și din dreapta.

În scenarii idealizate, fiecare unitate identică din acest metamaterial vorbește cu vecinii săi simetric, rezultând în conservarea energiei. Cu toate acestea, în materialul construit de cercetători, unitățile vorbesc cu vecinii lor în stânga și în dreapta într-un mod diferit. Acest lucru face ca sistemul să câștige sau să piardă energie din sau către mediu. Fizicienii au reușit acum să arate că, chiar și în acest caz, undelor li se poate permite să circule prin sistem și că topologia poate explica modul în care aceste unde interioare afectează undele limită. În special, topologia configurației determină pe ce parte a materialului apar aceste unde de margine.

Lucrarea poate avea un impact semnificativ asupra multor ramuri ale fizicii, variind de la mecanica cuantică pentru sisteme care nu sunt în echilibru până la construirea de metamateriale noi și interesante pentru situații în care este util să se proiecteze proprietăți de undă. dirijând valuri la cerere. Aplicațiile posibile sunt în captarea energiei sau captarea energiei sau, de exemplu, în crearea de noi materiale care hidratează sau atenuează șocurile și vibrațiile foarte eficient.

Referință: „Observarea topologiei non-hermitiene și a corespondenței sale masive într-un metamaterial mecanic activ” de Ananya Ghatak, Martin Brandenbourger, Jasper van Wezel și Corentin Coulais, 9 noiembrie 2020, Lucrările Academiei Naționale de Științe.
DOI: 10.1073 / pnas.2010580117

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Modelul demonstrează similitudini în modul în care studiază oamenii și insectele

Modelul de calcul demonstrează similaritatea în cunoașterea împrejurimilor oamenilor și insectelor. Potrivit unui nou studiu de la Universitatea din Sussex, care arată cum oamenii pot...

Cum am creat „furtuna perfectă” pentru evoluția și transmiterea bolilor infecțioase, cum ar fi COVID-19

Potrivit unui cercetător de la Universitatea din Anglia de Est, în majoritatea modurilor noastre, „furtuna perfectă” a fost creată pentru evoluția și transmiterea bolilor...

„Adezivul molecular” crește eficiența și face ca celulele solare perovskite să devină mult mai fiabile în timp

Cercetătorii au folosit „adeziv molecular” auto-asamblat monostrat pentru a consolida interfețele din celulele solare perovskite pentru a le face mai eficiente, stabile și fiabile....

Pastele plate sunt atât de avansate încât se formează în morfuri atunci când sunt fierte

Laboratorul CMU gestionează producția de paste, care își schimbă forma pe măsură ce gătește. Credit: Universitatea Carnegie Mellon Pastele plate ambalate creează ambalare, transport...

Oamenii de știință ai undelor gravitaționale Excelentă nouă metodă de rafinare a constantei Hubble – expansiunea și vârsta universului

O ilustrare a artistului unei perechi unificate de stele neutronice. Credit: Carl Knox, Universitatea OzGrav-Swinburne O echipă de oameni de știință internaționali, condusă de...

Newsletter

Subscribe to stay updated.