Forskere opdager skjulte symmetrier, åbner nye veje til materialedesign

Når du banker på en melon for at se, om den er moden, du bruger lydbølger til at undersøge strukturen af ​​materialet indeni. Fysikere ved University of Chicago brugte det samme koncept til at undersøge, hvordan lydbølger bevæger sig gennem mønstrede strukturer, da de bemærkede en underlighed:helt forskellige strukturer lød det samme.

Dette var en overraskende ting - ligesom at banke på en melon og en ananas, og opdagede, at de begge lavede den samme lyd.

"Det, der gjorde os begejstrede, var, at vi ikke kunne forklare vores fund ved hjælp af eksisterende koncepter, såsom rumlige symmetrier, "sagde Vincenzo Vitelli, en professor i fysik ved James Franck Institute.

Hvad Vitelli og hans gruppe havde opdaget var en dobbelthed, en "skjult" symmetri, der forbinder tilsyneladende ikke -relaterede systemer. Udgivet i Natur , deres undersøgelse kunne en dag hjælpe med at designe metamaterialer eller endda mikroskopiske enheder, der behandler information, der er kodet i lydbølger.

I årenes løb, fysik har opbygget en ramme til at forudsige et objekts egenskaber baseret på dets rumlige symmetrier. "Se på en plastisk model af et metanmolekyle:dets hydrogenatomer danner et almindeligt tetraeder. Dette fortæller dig meget om, hvordan molekylet vibrerer, "sagde Michel Fruchart, en postdoktor og første forfatter af papiret. I en lignende retning, LEGO -modeller hjalp forfatterne af denne undersøgelse med at opdage deres dualiteter. (En videodemonstration er tilgængelig på deres websted.)

Hvad hvis disse dualiteter kunne udnyttes til at forsyne et materiale med egenskaber, som det ellers ikke ville have?

I de seneste år, der har været en eksplosion af interesse i et felt kaldet metamaterialer. Disse er kunstige strukturer konstrueret til at have egenskaber, der normalt ikke forventes i naturen. For eksempel, der er gået meget tanke om at realisere en "usynlighedskappe" ved hjælp af kompositmaterialer, der bøjer indgående lys omkring dem i kraft af deres indre geometri.

Fruchart og Vitelli forestillede sig ved hjælp af denne fremgangsmåde at tage en partikel som f.eks. Et fonon - i det væsentlige en partikel af varme - og give den egenskaber, som den normalt ikke har.

Elektroner har en egenskab kaldet "spin", der bruges som grundlag for noget af den nyeste højteknologiske elektronik. Fononer har ikke et spin, men hvis forskere kunne forme materialernes struktur for at give fononer et "falsk spin, "de kunne potentielt bruge dem i fononiske enheder - svarende til elektronik, men med forskellige evner såsom varmestyring.

"Ved at flytte fononerne rundt, man kunne behandle de oplysninger, der er gemt i deres pseudospin, "Sagde Vitelli.

De betegnede dette begreb som "mekanisk spintronik." Forskerne sagde, at de håber, at dualiteter kan vise sig lige så vigtige i design af metamaterialer som symmetrier i øjeblikket er.

"Vores tilgang gælder også for andre bølger, ikke kun fononer - f.eks. lys- og stofbølger, "sagde Fruchart.