新物理突破拓扑拓扑论

新的超材料

由研究人员设计的新的超级材料。信用:coulais等。

有时,材料的内部可以决定外部发生了什么。阿姆斯特丹大学的一组物理学家已经设计出一种新的方法来利用这一普遍真理,特别是在不保存能量的系统中。研究结果发表在美国国家科学院院刊

在物理和数学中,拓扑结构是对形状和一般形式的研究。拓扑并不关心细节,而是询问从系统的大多数全局属性可以了解到什么。例如,在拓扑学中,甜甜圈和结婚戒指本质上是相同的:它们都是只有一个洞的固体形状。然而,一个有两三个孔的椒盐卷饼,会被认为是一种不同的拓扑形状。

大部分和边界

从量子电子学到声学,再到力学,拓扑学为许多领域带来了革命性的技术。拓扑结构在许多材料中也起着作用。拓扑物质的一个基本性质就是所谓的批量边界对应:在材料内部观察到的一个简单的拓扑量可以预测局部在材料边缘的波的出现。

众所周知的物理法则指出,能量是节省的:它可以从一种形式转化为另一个形式(例如,通过滚动山丘,例如将重力变为运动能量),但它不会丢失或刚出现从无处。然而,本法仅在理想化的系统中持有完全从周围环境的理想系统中保持真实。在现实生活体系中,能量例如,丢失,因为它是因为它离开了(消散)系统。相反,在材料科学中,人们现在构建了“活性材料”,实际上获得来自周围环境的能量。

最近,爆炸于活动爆发,目的是概括拓扑的概念,以便能量丢失或注射能量的现实生活系统。然而,尽管有强烈的努力,但是在实验上没有观察到不保护能量的系统中的拓扑边缘波的任何行为。在刊物中出现的新论文中美国国家科学院院刊本周,阿姆斯特丹大学的物理学家队现已在这种充满活力的田地中取得了两次突破。

从理论到材料

首先,该团队发现了一种新颖的散装边界对应形式:材料内部与其边缘发生的内容之间的新关系,特别适用于这些能量非节约系统。表明某个改变在材料内部的拓扑中,导致波浪状效果的位置的变化在边缘上。

理论模型和实际超材料

从理论模型(顶部)到实际的超材料(底部)。信用:coulais等。

其次,该团队将这一理论发现变得非常具体,他们用齿轮、杆、杠杆和微型机器人构建了一种具有理论预测特性的特殊超材料。事实上,最适合观察拓扑结构对波传播影响的介质就是这种超材料,它们是人为地将相同单元排列成的复合系统。上图显示了一个一维的例子:每个组件只与左右相邻组件“对话”。

在理想化方案中,每个相同的单元在这种超级材料中以对称的方式与其邻居谈话,导致能量守恒。然而,在由研究人员构建的材料中,单位以不同的方式与左邻居交谈。这使得系统获得或失去环境的能量。该物理学家现在设法表明,即使在这种情况下,也可以让波浪穿过系统和拓扑,然后解释内部的波浪如何影响边界上的波浪。特别地,设置的拓扑确定了这些边波发生的材料的哪一侧。

这项工作可以对物理学的许多分支产生重大影响,从用于非平衡系统的量子力学,到用于构建新的有趣的超材料,在这种情况下,通过根据需要操纵波来工程波的特性是有用的。潜在的应用是在传感或能量收集,或例如创造新材料,非常有效地阻尼或减轻冲击和振动。

参考:Ananya Ghatak, Martin Brandenbourger, Jasper van Wezel和Corentin Coulais于2020年11月9日发表的《主动机械超材料中的非厄密拓扑及其体边对应观察》。美国国家科学院院刊
DOI: 10.1073 / pnas.2010580117

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