Topologiske mekaniske metamaterialer går ud over Newtons tredje lov

En ændring i perspektiv kan gøre underværker. Dette har især været sandt med hensyn til paradigmerne til at forklare materielle egenskaber ved hjælp af begrebet topologi, "ideer, der i øjeblikket revolutionerer det kondenserede stofs fysik, "ifølge Tel Aviv Universitets forsker Roni Ilan. Mens topologisk fysik først opstod i kondenseret fysik, ideerne har nu spredt sig til mange andre områder, herunder optik og fotonik, samt akustik og andre mekaniske systemer, hvor tingene er blevet lidt vanskelige.

Selvom mekaniske bølgesystemer kan tilbyde værdifuld indsigt i kvantesystemers funktion, herunder topologiske fænomener, forskere, der tog denne tilgang, havde ramt en væg med Newtons tredje bevægelseslov, som bestemmer, at enhver handling skal resultere i en lige og modsat reaktion. Nogle kvante systemer overholder simpelthen ikke denne form for gensidighed, gør dem svære at efterligne i mekaniske systemer. Imidlertid, samarbejdspartnere ved Israels Tel Aviv Universitet har nu fundet en måde at efterligne ikke-newtonsk adfærd i mekaniske systemer, og derigennem udvikle en mekanisk implementering af nogle af de mere uoverkommelige topologiske kvantesystemer, som kan tilbyde grundlæggende ny indsigt i både de mekaniske og kvantetopologiske systemer.

Holdet samlede ekspertise fra flere forskellige felter - Ilans inden for kondenseret stof teori, Yair Shokef er i blødt stof, Yoav Lahinis specialviden inden for topologisk fotonik, og det manglende led, der forenede værket, Lea Sirotas baggrund inden for maskinteknik og kontrolteori. "På en eller anden måde, vi mødtes alle sammen, da Lea kom her og begyndte at tale om disse ting, «siger Lahini.

Bryde symmetrier

De komplikationer, der dukker op, når man forsøger at designe mekaniske analoger til kvantesystemer, stammer hovedsageligt fra symmetribrud. I rumlig henseende, dette kan betyde, at interaktioner mellem komponenter i systemerne virker forskelligt i forskellige retninger, såsom dem, der er kernen i quantum spin Hall og quantum valley Hall-effekter i 2-D-systemer. Imidlertid, efterligning af disse effekter i mekaniske systemer er ikke sådan et problem, fordi du nemt kan lege med geometri. Symmetribrud i tiden bliver mere kompliceret.

På det mikroskopiske niveau, mekanik er tid reversibel. Overvej en film af to partikler, der bevæger sig mod hinanden, kolliderer og rebounder - spil det baglæns, og du får stadig en fysisk troværdig film af to partikler, der bevæger sig mod hinanden, kolliderer og rebounder. Imidlertid, de kvanteeffekter, der opstår, når objekter interagerer med magnetfelter, for eksempel, bryd denne tidssymmetri – afspil filmen baglæns, og noget på billedet hænger ikke sammen. Efterligning af disse effekter betyder, at der indføres en eller anden form for ikke-gensidighed, så der ikke længere er en lige og modsat reaktion på hver handling, og det er noget, som mekaniske systemer bare ikke gør.

"Folk omgåede denne barriere ved hjælp af noget involverede erkendelser, for eksempel, indførelse af roterende strømme eller roterende gyroskoper og andre kompleksiteter, der i sidste ende ville efterligne spin i kvantesystemer, " forklarer Shokef. Problemet her er, at tilføjelse af gyroskoper eller hvad som helst til noget, der ikke drejer, tilføjer frihedsgrader, som ikke er til stede i det system, du forsøger at efterligne. Så selvom systemet måske begynder at reagere som et ikke-gensidigt kvante. angive på nogle måder, det er svært at undgå uønskede ekstra effekter fra disse ekstra frihedsgrader. Her, Sirotas ekspertise inden for kontrolteori havde enorme fordele.

Virtuelle interaktioner

Som Sirota forklarer, kontrolteori er et felt inden for maskinteknik, der bruger matematiske værktøjer til at udtænke algoritmer, der beskriver et systems adfærd som reaktion på en form for kraft eller aktivering. Det tillader den slags indgreb, der findes i autonome eller assisterede biler. For eksempel, mens traditionelt, en plastik kofanger foran på bilen ville absorbere stødet fra en kollision, i et selvkørende eller assisteret køretøj, et kamera måler afstanden til bilen foran og griber ind med bremsekontrol, når den kommer for tæt på. Som Shokef påpeger, dette efterligner allerede en ikke-gensidig interaktion, fordi der ikke er nogen lige og modsat reaktion i bilen foran, som der ville være ved en kollision med kofangeren. Følgelig, forskerne var i stand til at anvende principper fra kontrolteori til at designe et aktivt mekanisk metamateriale, der er i stand til lignende ikke-gensidighed i interaktionerne mellem elementer.

De begyndte med at modellere et mekanisk metamateriale, der består af en række tilsluttede masseenheder, hvor enhederne kun kan bevæge sig op eller ned - én frihedsgrad pr. masse. Men i stedet for at få dynamikken i systemet styret af Newtons bevægelseslove, en feedback -controller er placeret over hver masse, som måler positionen af ​​nabomasser, beregner, hvordan massen ville reagere, hvis den styres af et kvantum ikke-gensidigt udtryk for interaktionen, og anvender derefter den helt rigtige aktivering for at få det svar. "Vi erstatter den naturlige interaktion (af kilder) med en virtuel interaktion, hvis du vil, «siger Lahini.

Simuleringer af det aktivt feedback-kontrollerede mekaniske metamateriale viste, at det kunne efterligne kvante Haldane-modellen, som beskriver kvante-Hall-effekten i fravær af et magnetfelt, noget, der havde været en kamp for at efterligne ved hjælp af passive mekaniske elementer. Hvad mere er, det gør det "uden roterende dele, "som Sirota understreger, tilføjer, "Du kan efterligne forskellige topologiske effekter på den samme platform." Forskerne var også i stand til at efterligne den modificerede Haldane -model, samt en pseudospin multipol topologisk isolator ved blot at justere kontrolsoftwaren.

Selvom der har været en vis succes med at realisere aktive mekaniske metamaterialer i én dimension, dette arbejde baner ny grund for todimensionale mekaniske metamaterialer med aktiv kontrolfeedback. Næste, Sirota arbejder på at realisere metamaterialet ved hjælp af akustiske bølger, som er nemmere at kontrollere og kan give intuitiv indsigt i kvantemekanik. Her, en akustisk bølge passerer mellem to parallelle plader, hvor den ene omfatter de aktive feedback-kontrolelementer ved hjælp af højttalere og mikrofoner til at bibringe virtuelle ikke-gensidige interaktioner.

Samt praktiske muligheder, systemet kan evt. for eksempel, tilbyde lydisolering og akustisk tilsløring; forskerne ser potentialet for deres mekaniske analog til at øge forståelsen af ​​topologiske materielle tilstande. "Hvis tingene kortlægges nøjagtigt én til én, det er ikke interessant, "siger Shokef." Men i øjeblikket er denne kortlægning ikke perfekt, nye og interessante fænomener dukker op."

"I øvrigt, "Lahini tilføjer, "Det mekaniske system kan gøre det muligt at styre mange komponenter, der er svære eller umulige at opnå i kondenseret stof - interaktioner, ulineariteter, dynamiske potentialer, grænser og mere. "

© 2020 Science X Network