_ Noua metoda inversează scenariul fizicii topologice

Ramura matematicii cunoscută sub numele de topologie a devenit o piatră de temelie a fizicii moderne datorită proprietăților remarcabile – și mai presus de toate de încredere – pe care le poate conferi unui material sau unui sistem. Din păcate, identificarea sistemelor topologice, sau chiar proiectarea altora noi, este în general un proces obositor care necesită potrivirea exactă a sistemului fizic cu un model matematic.

Cercetătorii de la Universitatea din Amsterdam și de la École Normale Supérieure din Lyon au a demonstrat o metodă fără model pentru identificarea topologiei, permițând descoperirea de noi materiale topologice folosind o abordare pur experimentală. Cercetarea este publicată în jurnalul Proceedings of the National Academy of Sciences.

Topologia cuprinde proprietățile unui sistem care nu poate fi schimbat prin nicio „deformare lină”. După cum ați putea da seama din această descriere destul de formală și abstractă, topologia și-a început viața ca ramură a matematicii. Cu toate acestea, în ultimele decenii, fizicienii au demonstrat că matematica care stă la baza topologiei poate avea consecințe foarte reale. Efectele topologice pot fi găsite într-o gamă largă de sisteme fizice, de la electroni individuali la curenți oceanici la scară mare.

Ca exemplu concret: în domeniul materiei cuantice, topologia a devenit faimoasă datorită atât numiti izolatori topologici. Aceste materiale nu conduc electricitatea prin volumul lor, dar electronii se mișcă liber de-a lungul suprafețelor sau marginilor lor. Această conducere de suprafață va persista, nestingherită de imperfecțiunile materialelor, atâta timp cât nu faci ceva drastic precum schimbarea întregii structuri atomice a materialului.

În plus, curenții de pe suprafețele sau marginile unui izolator topologic. au o direcție stabilită (în funcție de spinul electronului), din nou forțată de natura topologică a structurii electronice.

Asemenea caracteristici topologice pot avea aplicații foarte utile, iar topologia a devenit una dintre frontierele științei materialelor. . Pe lângă identificarea materialelor topologice în natură, eforturile paralele de cercetare se concentrează pe proiectarea materialelor topologice sintetice de jos în sus.

Stările de margine topologică ale structurilor mecanice cunoscute sub numele de „metamateriale” prezintă oportunități de neegalat pentru obținerea unor răspunsuri fiabile în ghidarea undelor. , detectarea, calculul și filtrarea.

Cercetarea în acest domeniu este încetinită de lipsa unor modalități experimentale de investigare a naturii topologice a unui sistem. Necesitatea potrivirii unui model matematic cu un sistem fizic limitează cercetarea la materialele pentru care avem deja o descriere teoretică și formează un blocaj pentru identificarea și proiectarea materialelor topologice.

Pentru a aborda această problemă, Xiaofei Guo și Corentin Coulais de la Laboratorul de Materiale pentru Mașini de la Universitatea din Amsterdam a făcut echipă cu Marcelo Guzmán, David Carpentier și Denis Bartolo de la ENS Lyon.

„Până acum, majoritatea experimentelor au fost menite să demonstreze teorii sau să prezinte predicții teoretice în jurnale", spune Guo. „Am găsit o modalitate de a măsura petele moi sau fragile protejate topologic în metamateriale mecanice necunoscute, fără a fi nevoie de modelare. Abordarea noastră permite explorarea practică și caracterizarea proprietăților materialelor fără a explora cadre teoretice complexe.”

The cercetătorii și-au demonstrat metoda cu metamateriale mecanice constând dintr-o rețea de rotoare (tije rigide care se pot roti) conectate prin arcuri elastice. Topologia acestor sisteme poate face unele regiuni ale unui astfel de metamaterial deosebit de flexibile sau rigide.

Bartolo afirmă: „Ne-am dat seama că sondarea selectivă a unui material la nivel local ne poate oferi toate informațiile necesare pentru a dezvălui pete moi sau fragile din structură, chiar și în regiuni îndepărtate de sondele noastre. Utilizând aceasta, am dezvoltat un protocol extrem de practic aplicabil unei game variate de materiale și metamateriale."

Producând rotoare individuale în metamaterial și urmărind deplasările și alungirile rezultate în sistem, cercetătorii au identificat diferite "molecule mecanice" - grupuri de rotoare și arcuri care se mișcă ca o singură unitate.

În analogie cu sistemele electrostatice, au determinat apoi o „polarizare” eficientă a fiecărei molecule, calculată din mișcările moleculelor. Această polarizare va schimba brusc direcția în prezența unei caracteristici topologice, făcând topologia inerentă ușor de identificat.

Cercetătorii și-au aplicat metoda la diferite metamateriale mecanice, dintre care unele erau cunoscute din studiile anterioare ca fiind topologice, în timp ce altele erau structuri noi fără un model matematic asociat. Rezultatele demonstrează că polarizarea determinată experimental este foarte eficientă în evidențierea caracteristicilor topologice.

Această abordare fără model nu se limitează doar la sistemele mecanice; aceeași metodă ar putea fi aplicată structurilor fotonice sau acustice. Acesta va face topologia accesibilă unei game mai largi de fizicieni și ingineri și va facilita construirea de materiale funcționale care depășesc demonstrațiile de laborator.

(Fluierul)