Forskere påviser transport af mekanisk energi, selv gennem beskadigede veje

De fleste teknologier i dag er afhængige af enheder, der transporterer energi i form af lys, radio, eller mekaniske bølger. Imidlertid, disse bølgeledende kanaler er modtagelige for uorden og beskadigelse, enten i fremstillingen eller efter, at de er installeret i barske miljøer.

Forskere fra University of Illinois ved Urbana-Champaigns Grainger College of Engineering har eksperimentelt demonstreret en ny måde at transportere energi på selv gennem bølgeledere, der er defekte, og selv om lidelsen er et forbigående fænomen i tid. Dette arbejde kan føre til meget mere robuste enheder, der fortsætter med at fungere på trods af skader.

Gaurav Bahl, lektor i mekanisk videnskab og teknik, og Taylor Hughes, fysik professor, offentliggjort deres resultater i Naturkommunikation . Dette vigtige arbejde blev ledet af postdoc-forsker Inbar Grinberg, også inden for mekanisk videnskab og teknik.

Deres artikel, "Robust temporal pumpning i en magneto-mekanisk topologisk isolator, "detaljer demonstrationen af ​​en topologisk pumpe, et system, der producerer on-demand, robust transport af mekanisk energi, når den periodisk drives i tid. Forskerne byggede den topologiske pumpe ved hjælp af et endimensionelt magnetomekanisk kunstigt materiale, sammensat af fjedre, masser, og magneter.

Inspirationen til pumpen kom fra den nobelprisvindende fysiker David Thouless' arbejde fra 1983, hvor han foreslog en ordning for at opnå kvantiseret transport af enkelte partikler, f.eks. elektroner, gennem et periodisk potentiale, f.eks. en kæde af atomer. Det underliggende princip er at gøre gradvis, periodiske modulationer til kædens struktur som funktion af tid. Ved afslutningen af ​​hver periode af pumpecyklussen, en enkelt partikel skal ind i kæden i den ene ende, og samtidig skal en enkelt partikel ud af den anden ende af kæden. Dette sker pålideligt, selvom kæden af ​​atomer har en moderat mængde uorden.

Denne type system kaldes en pumpe, fordi dens tekniske beskrivelse fremkalder en vision af en Archimedes-skrue, en hånddrevet vandpumpe med historiske referencer tilbage til det gamle Egypten.

Grainger-forskerne tog Thouless' idé og implementerede den i en mekanisk topologisk pumpe. En bemærkelsesværdig forskel er, at deres pumpe transporterer mekanisk energi, ikke partikler eller vand, på tværs af hele kæden i én periode af pumpecyklussen. I øvrigt, pumpen fungerer med succes, selvom kæden har betydelig uorden i rum eller tid. For at fuldende analogien til en vandskruepumpe, forskerne drev deres demonstration med en roterende krumtapaksel.

"Ultimativt, vi vil gerne udvide denne demonstration til at producere tilsvarende elastiske bølgeledere til lys, lyd, og el, " forklarede Bahl. "Drømmen er at sætte et signal ind i den ene ende af en endimensionel kanal, og har garanteret transport til den anden ende, på en robust måde, når som helst brugeren ønsker det. Vi mener, at topologiske pumper er en fantastisk måde at gøre det på."

Optiske fiber- og kobberlinjer udgør rygraden i alle vores kommunikationsteknologier. I øjeblikket, moderate skader langs sådanne kommunikationskanaler - f.eks. alt andet end fuldstændig afbrydelse – kan reducere signalstyrken og endda producere uønskede refleksioner, som negativt påvirker mængden af ​​data, som disse kanaler kan bære.

Forskerholdet mener, at topologisk pumpning kunne være en god løsning i disse scenarier.