De meeste technologieën zijn tegenwoordig afhankelijk van apparaten die energie transporteren in de vorm van licht, radio, of mechanische golven. Echter, deze golfgeleidende kanalen zijn vatbaar voor wanorde en schade, hetzij in de productie of nadat ze zijn ingezet in ruwe omgevingen.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois aan het Grainger College of Engineering van Urbana-Champaign hebben experimenteel een nieuwe manier aangetoond om energie te transporteren, zelfs door defecte golfgeleiders. en zelfs als de stoornis een voorbijgaand fenomeen is in de tijd. Dit werk zou kunnen leiden tot veel robuustere apparaten die ondanks schade blijven werken.

Gaurav Bahl, universitair hoofddocent mechanische wetenschappen en techniek, en Taylor Hughes, natuurkunde professor, publiceerden hun bevindingen in Natuurcommunicatie . Dit belangrijke werk werd geleid door postdoctoraal onderzoeker Inbar Grinberg, ook in werktuigbouwkunde en techniek.

hun artikel, "Robuuste temporele pompen in een magneto-mechanische topologische isolator, " beschrijft de demonstratie van een topologische pomp, een systeem dat on-demand produceert, robuust transport van mechanische energie wanneer deze periodiek in de tijd wordt aangedreven. De onderzoekers bouwden de topologische pomp met behulp van een eendimensionaal magneto-mechanisch kunstmatig materiaal, samengesteld uit veren, massa, en magneten.

De inspiratie voor de pomp kwam van het werk van Nobelprijswinnaar natuurkundige David Thouless uit 1983, waarin hij een schema voorstelde om gekwantiseerd transport van afzonderlijke deeltjes te bereiken, bijv. elektronen, door een periodieke potentiaal, bijv. een keten van atomen. Het onderliggende principe is om geleidelijk, periodieke modulaties van de structuur van de keten als functie van de tijd. Aan het einde van elke periode van de pompcyclus, een enkel deeltje moet aan het ene uiteinde de ketting binnenkomen, en tegelijkertijd moet een enkel deeltje het andere uiteinde van de keten verlaten. Dit gebeurt betrouwbaar, zelfs als de keten van atomen een matige hoeveelheid wanorde heeft.

Dit type systeem wordt een pomp genoemd omdat de technische beschrijving ervan een visioen oproept van een schroef van Archimedes, een met de hand aangezwengelde waterpomp met historische referenties die teruggaan tot het oude Egypte.

De Grainger-onderzoekers namen het idee van Thouless over en implementeerden het in een mechanische topologische pomp. Een opmerkelijk onderscheid is dat hun pomp mechanische energie transporteert, geen deeltjes of water, over de hele keten in één periode van de pompcyclus. Bovendien, de pomp werkt met succes, zelfs als de ketting een aanzienlijke hoeveelheid wanorde heeft in ruimte of tijd. Om de analogie met een waterschroefpomp compleet te maken, de onderzoekers dreven hun demonstratie aan met een roterende krukas.

"Uiteindelijk, we willen deze demonstratie uitbreiden om even veerkrachtige golfgeleiders voor licht te produceren, geluid, en elektriciteit, " legde Bahl uit. "De droom is om een ​​signaal in te voeren aan het ene uiteinde van een eendimensionaal kanaal, en hebben gegarandeerd transport naar de andere kant, op een robuuste manier wanneer de gebruiker het wil. Wij geloven dat topologische pompen een geweldige manier zijn om dat te doen."

Glasvezel- en koperlijnen vormen de ruggengraat van al onze communicatietechnologieën. momenteel, matige schade langs dergelijke communicatiekanalen, bijv. alles behalve volledige ontkoppeling - kan de signaalsterkte verminderen en zelfs ongewenste reflecties produceren, die een negatieve invloed hebben op de hoeveelheid gegevens die deze kanalen kunnen dragen.

Het onderzoeksteam is van mening dat topologisch pompen in deze scenario's een geweldige oplossing kan zijn.