Gyroskoper fører videnskabsmænd til en usædvanlig tilstand af stof i en uorganiseret struktur

Du behøver ikke at være perfekt organiseret for at udløse en bølge, ifølge videnskabsmænd fra University of Chicago.

Ved hjælp af et sæt gyroskoper forbundet med hinanden, fysikere udforskede adfærden af ​​et materiale, hvis struktur er arrangeret tilfældigt, i stedet for et ordnet gitter. De fandt ud af, at de kunne udløse envejsbølger rundt om kanterne, meget som tilskuere i en sportsarena - en "topologisk bølge, " karakteristisk for en særlig usædvanlig materietilstand.

Udgivet 15. januar i Naturfysik , opdagelsen giver ny indsigt i den kollektive bevægelses fysik og kan en dag få konsekvenser for elektronik, optik eller andre teknologier.

Holdet, ledet af Assoc. Prof. William Irvine, brugte gyroskoper – det toplignende legetøj, du legede med som barn – som et modelsystem til at udforske fysikken. Fordi gyroskoper bevæger sig i tre dimensioner, hvis du forbinder dem med fjedre og drejer dem med motorer, du kan observere alle mulige ting om reglerne, der styrer, hvordan objekter bevæger sig sammen.

To år siden, holdet observerede en mærkelig adfærd i deres gyroskoper:ved visse frekvenser, de kunne udløse en bølge, der kun rejste rundt om materialets kanter i én retning. Det var mærkeligt, men havde nogle modstykker i andre grene af fysikken. Det er en adfærd, der er karakteristisk for en nyligt opdaget stoftilstand kaldet en topologisk isolator.

Men næste, forsøger at finde ud af, hvilke forhold der virkelig var afgørende, de ændrede gyroskopernes mønster. Hvor før gyroskoperne havde været pænt opstillet i lige store rækker, som gittermønsteret i en krystal, Irvine og teamet spredte pointene tilfældigt rundt.

De tændte gyroskoperne, og så stadig bølgerne.

Dette er overordentlig mærkeligt. Traditionelt, gitterrækkefølgen er meget vigtig i fysiske egenskaber. Det er lidt ligesom hvis du hver gang smed en håndfuld puslespilsbrikker på bordet, det lavede stadig et genkendeligt billede.

"Alt indtil dette tidspunkt var konstrueret. Vi troede, du skulle bygge et bestemt gitter, og det bestemmer, hvor bølgen går hen, " sagde Irvine. "Men da vi spurgte, hvad der skete, hvis du fjernede den rumlige orden, intet krystalplan, ingen klar struktur...svaret er ja. Det virker bare."

"En kollektiv adfærd med lokale rødder er også rigtig interessant, fordi det er en meget nemmere måde at fremstille et materiale på, " sagde kandidatstuderende Noah Mitchell, den første forfatter på papiret. "Man troede, at rumlig orden skulle koordineres globalt, men det faktum, at lokale ejendomme er tilstrækkelige, kunne åbne mange muligheder."

Der er mange materialer i den daglige verden, der ikke har en krystallinsk struktur, herunder Styrofoam, glas, skum, plastik og gummi. Fysikken bag disse systemer er mindre forstået end deres krystallinske modstykker, men efterhånden som videnskabsmænds evne til at konstruere dem – også som kvantesystemer og metamaterialer – vokser, de er mere og mere interessante. Hvis disse amorfe materialer kunne vise nogle af krystallernes egenskaber, det kunne lægge grundlaget for nye teknologier.