Je hoeft niet perfect georganiseerd te zijn om een ​​golf te maken, volgens wetenschappers van de Universiteit van Chicago.

Met behulp van een set gyroscopen die aan elkaar zijn gekoppeld, natuurkundigen onderzochten het gedrag van een materiaal waarvan de structuur willekeurig is gerangschikt, in plaats van een ordelijk rooster. Ze ontdekten dat ze eenrichtingsrimpels langs de randen konden veroorzaken, net als toeschouwers in een sportarena - een "topologische golf, ’ kenmerkend voor een bijzonder ongebruikelijke toestand van de materie.

Gepubliceerd op 15 januari in Natuurfysica , de ontdekking biedt nieuw inzicht in de fysica van collectieve beweging en kan ooit implicaties hebben voor elektronica, optica of andere technologieën.

Het team, onder leiding van Assoc. Prof. William Irvine, gebruikte gyroscopen - het speelgoed waarmee je als kind speelde - als een modelsysteem om de natuurkunde te verkennen. Omdat gyroscopen in drie dimensies bewegen, als je ze verbindt met veren en ze laat draaien met motoren, je kunt allerlei dingen observeren over de regels die bepalen hoe objecten samen bewegen.

Twee jaar geleden, het team observeerde een vreemd gedrag in hun gyroscopen:bij bepaalde frequenties, ze konden een golf veroorzaken die slechts in één richting langs de randen van het materiaal reisde. Dit was vreemd, maar had enkele tegenhangers in andere takken van de natuurkunde. Het is een gedragskenmerk van een recent ontdekte staat van materie die een topologische isolator wordt genoemd.

Maar daarna, proberen te vinden welke voorwaarden echt essentieel waren, ze wijzigden het patroon van de gyroscopen. Waar voorheen de gyroscopen netjes in rijen op gelijke afstand van elkaar waren opgesteld, als het roosterpatroon in een kristal, Irvine en het team verspreidden de punten willekeurig.

Ze zetten de gyroscopen aan, en zag nog steeds de golven.

Dit is buitengewoon vreemd. traditioneel, de roostervolgorde is erg belangrijk in fysieke eigenschappen. Het is een beetje alsof je elke keer dat je een handvol puzzelstukjes op tafel gooit, het maakte nog steeds een herkenbaar beeld.

"Tot nu toe was alles ontworpen. We dachten dat je een bepaald rooster moest bouwen, en dat bepaalt waar de golf heen gaat, "zei Irvine. "Maar toen we vroegen wat er gebeurde als je de ruimtelijke orde weghaalde, geen kristalvlak, geen duidelijke structuur ... het antwoord is ja. Het werkt gewoon."

"Een collectief gedrag met lokale wortels is ook erg interessant, omdat dat een veel gemakkelijkere manier is om een ​​materiaal te vervaardigen. " zei afgestudeerde student Noah Mitchell, de eerste auteur op het papier. "Men dacht dat ruimtelijke orde globaal gecoördineerd moest worden, maar het feit dat lokale eigendommen voldoende zijn, zou veel mogelijkheden kunnen bieden."

Er zijn veel materialen in de dagelijkse wereld die geen kristallijne structuur hebben, inclusief piepschuim, glas, schuim, kunststof en rubber. De fysica achter deze systemen is minder begrepen dan hun kristallijne tegenhangers, maar naarmate het vermogen van wetenschappers om ze te ontwikkelen - ook als kwantumsystemen en metamaterialen - toeneemt, ze staan ​​steeds meer in de belangstelling. Als deze amorfe materialen enkele eigenschappen van kristallen zouden kunnen vertonen, het zou de basis kunnen leggen voor nieuwe technologieën.