Nový průlom fyziky v oblasti topologické hmoty

Nový metamateriál navržený vědci. Fotografický kredit: Coulais et al.

Někdy může vnitřek materiálu určit, co se děje venku. Tým fyziků z Amsterdamské univerzity našel nový způsob, jak využít tuto obecnou pravdu, zejména v systémech, které nešetří energií. Výsledky byly publikovány v Postup Národní akademie věd.

Ve fyzice a matematice topologie je studium tvarů a forem obecně. Topologie se nestará o jemné detaily, ale ptá se, co se dá naučit z nejglobálnějších vlastností systému. Například v topologii jsou kobliha a snubní prsten v podstatě stejné: oba jsou plné tvary s jednou dírou. Preclík se dvěma nebo třemi otvory by však byl považován za topologicky odlišný tvar.

Hmotnost a limit

Topologie slibuje převrat v technologiích v mnoha oblastech, od kvantové elektroniky přes akustiku až po mechaniku. Topologie také hraje roli v mnoha materiálech. Základní vlastností topologické hmoty je tzv Hromadná korespondence na hranicích: Jednoduché topologické množství pozorované uvnitř materiálu může předpovědět vzhled vln, které jsou lokalizovány na okrajích materiálu.

Známým fyzikálním zákonem je, že energie je zachována: lze ji převádět z jednoho tvaru do druhého (například válcováním koule z kopce dolů a přeměnou gravitační energie na energii kinetickou), ale není ztracena nebo se objevuje jednoduše odnikud . Tento zákon se však vztahuje pouze na idealizované systémy, které jsou dokonale izolované od svého prostředí. Ve skutečných fyzických systémech energie dělá ztratit se, například jednoduše proto, že to jde (rozpouští se ven) ze systému. Naopak, ve vědě o materiálech se nyní konstruují „aktivní materiály“, které se ve skutečnosti dělají získat Energie z jejich okolí.

Nedávno došlo k explozi aktivity zaměřené na zobecnění konceptu topologie na takové realističtější systémy, kde může dojít ke ztrátě nebo vstřikování energie. Navzdory intenzivnímu úsilí však experimentálně nebylo pozorováno žádné chování topologických okrajových vln v systémech, které nešetří energii. V novém článku, který se objevil v časopise Postup Národní akademie věd Tento týden udělal tým fyziků z Amsterdamské univerzity dva průlomy v této dynamické oblasti.

Od teorie k materiálu

Nejprve tým objevil novou formu korespondence mezi hmotnostními limity: nový vztah mezi vnitřkem materiálu a tím, co se děje na jeho okraji, zejména pro tyto systémy šetřící energii. Ukázalo se, že jisté změna V topologii uvnitř materiálu to vede ke změně poloh zvlněných efektů na okrajích.

Teoretický model a skutečný metamateriál

Od teoretického modelu (nahoře) po skutečný metamateriál (níže). Fotografický kredit: Coulais et al.

Za druhé, tým provedl tento teoretický nález velmi konkrétně pomocí ozubených kol, tyčí, pák a malých robotů ke konstrukci konkrétního metamateriálu s teoreticky předpovězenou vlastností. Ve skutečnosti jsou takové metamateriály nejpřínosnějším médiem pro sledování vlivu topologie na šíření vln. Jedná se o kompozitní systémy, které byly uměle vyrobeny jako uspořádání identických jednotek. Obrázek výše ukazuje jednorozměrný příklad: Každá komponenta „hovoří“ pouze se svými levými a pravými sousedy.

V idealizovaných scénářích každá identická jednotka v takovém metamateriálu hovoří symetricky se svými sousedy, což vede k úsporám energie. V materiálu vytvořeném výzkumníky však jednotky mluví se svými levými a pravými sousedy různými způsoby. Výsledkem je, že systém získává nebo ztrácí energii z nebo do prostředí. Fyzikům se nyní podařilo ukázat, že v tomto případě mohou systémem procházet také vlny, a topologie pak vysvětluje, jak tyto vlny uvnitř ovlivňují vlny na hranici. Zejména topologie struktury určuje, na které straně materiálu se tyto okrajové vlny vyskytují.

Práce může mít významný dopad na mnoho oblastí fyziky, od kvantové mechaniky pro systémy, které jsou nevyvážené, až po konstrukci nových a zajímavých metamateriálů pro situace, kdy je užitečné konstruovat vlnové vlastnosti přidáním vln podle potřeby být kontrolován. Možnými aplikacemi jsou získávání nebo generování energie nebo například vytváření nových materiálů, které velmi účinně tlumí nebo oslabují otřesy a vibrace.

Odkaz: „Pozorování nehermitovské topologie a její korespondence s hranami v aktivním mechanickém metamateriálu“, Ananya Ghatak, Martin Brandenbourger, Jasper van Wezel a Corentin Coulais, 9. listopadu 2020, Postup Národní akademie věd.
DOI: 10.1073 / pnas.2010580117

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Znepokojující nový důkaz, že vakcíny COVID-19 jsou méně účinné než nové varianty koronaviru

Asistentka lékaře Philana Liang připravuje láhev vakcíny COVID-19 na Lékařském kampusu University of Washington. Nový výzkum na Lékařské fakultě University of Washington v...

Rad solární chlazení – solární ohřev z jednoho systému. Není nutná elektřina

Systém snížil teplotu uvnitř testovacího systému ve venkovním prostředí vystaveném přímému slunečnímu záření o více než 12 stupňů Celsia (22 stupňů Fahrenheita). Půjčka...

Odkrytý 260 milionů let starý zabiják

Živá rekonstrukce anteosaura útočícího na býložravého moschognatha. Fotografický kredit: Alex Bernardini (@SimplexPaleo) 260 milionů let starý dravec Anteosaurus, dříve považován za těžkého, pomalého a...

Fyzici částic řeší problémy, které „sledují“ více než 20 let

Obrázek ukazuje dráhu paprsku, který prochází měděným vysokofrekvenčním kvadrupólem, černým dipólovým magnetem a štěrbinovým měřicím systémem na detektoru částic. Strukturální složitost paprsku se...

Paleontologové řeší 150 let starou záhadu – a objevují novou skupinu hmyzu

Křídlo nového druhu Okanagrion hobani z fosilního naleziště McAbee v Britské Kolumbii je samoobslužným hmyzem nového podřádu Cephalozygoptera. Kredit: Copyright Zootaxa, použitý v...

Newsletter

Subscribe to stay updated.