Een verandering van perspectief kan wonderen doen. Dit geldt met name voor de paradigma's voor het verklaren van materiaaleigenschappen met behulp van het concept van topologie, "ideeën die momenteel een revolutie teweegbrengen in de fysica van de gecondenseerde materie, " volgens onderzoeker Roni Ilan van de Universiteit van Tel Aviv. Terwijl de topologische fysica voor het eerst opdook in de fysica van de gecondenseerde materie, de ideeën hebben zich nu verspreid naar vele andere gebieden, inclusief optica en fotonica, evenals akoestiek en andere mechanische systemen, waar het een beetje lastig is geworden.

Hoewel mechanische golfsystemen waardevolle inzichten kunnen bieden in de werking van kwantumsystemen, inclusief topologische verschijnselen, onderzoekers die deze benadering volgden, liepen tegen een muur aan met de derde bewegingswet van Newton, die bepaalt dat elke actie moet resulteren in een gelijke en tegengestelde reactie. Sommige kwantumsystemen houden zich gewoon niet aan dit soort wederkerigheid, waardoor ze moeilijk te emuleren in mechanische systemen. Echter, medewerkers van de Israëlische Universiteit van Tel Aviv hebben nu een manier gevonden om niet-Newtons gedrag in mechanische systemen na te bootsen, en daardoor een mechanische implementatie te ontwikkelen voor enkele van de meer hardnekkige topologische kwantumsystemen, die fundamenteel nieuwe inzichten kunnen bieden in zowel de mechanische als de kwantumtopologische systemen.

Het team bracht expertise uit verschillende vakgebieden samen:die van Ilan in de theorie van de gecondenseerde materie, Yair Shokef zit in zachte materie, Yoav Lahini's specialistische kennis in topologische fotonica, en de ontbrekende schakel die het werk verenigde, Lea Sirota's achtergrond in werktuigbouwkunde en regeltechniek. "Op de een of andere manier, we kwamen allemaal samen toen Lea hier kwam en over deze dingen begon te praten, ' zegt Lahini.

Doorbreken van symmetrieën

De complicaties die optreden bij het ontwerpen van mechanische analogen van kwantumsystemen komen in wezen voort uit het breken van de symmetrie. In ruimtelijke termen, dit kan betekenen dat interacties tussen componenten in de systemen in verschillende richtingen anders werken, zoals die in het hart van kwantumspin Hall en kwantumvallei Hall-effecten in 2D-systemen. Echter, het nabootsen van deze effecten in mechanische systemen is niet zo'n probleem, omdat je gemakkelijk met geometrie kunt spelen. Symmetrie breken in de tijd wordt ingewikkelder.

Op microscopisch niveau, mechanica is tijd omkeerbaar. Beschouw een film van twee deeltjes die naar elkaar toe bewegen, botsen en terugkaatsen - speel het achterstevoren, en je krijgt nog steeds een fysiek geloofwaardige film van twee deeltjes die naar elkaar toe bewegen, botsen en terugkaatsen. Echter, de kwantumeffecten die optreden wanneer objecten interageren met magnetische velden, bijvoorbeeld, doorbreek deze tijdsymmetrie - speel de film achterstevoren af, en iets op de foto klopt niet. Het nabootsen van deze effecten betekent het introduceren van een soort van niet-wederkerigheid, zodat er niet langer een gelijke en tegengestelde reactie is op elke actie, en dat is iets dat mechanische systemen gewoon niet doen.

"Mensen omzeilden deze barrière met enigszins betrokken realisaties, bijvoorbeeld, het introduceren van roterende stromen of roterende gyroscopen en andere complexiteiten die uiteindelijk spins in kwantumsystemen zouden nabootsen, " legt Shokef uit. Het probleem hier is dat het toevoegen van gyroscopen of wat dan ook aan iets dat niet draait, vrijheidsgraden toevoegt die niet aanwezig zijn in het systeem dat je probeert na te bootsen. Dus terwijl het systeem zou kunnen beginnen te reageren als een niet-wederkerig kwantum op een bepaalde manier aangeven, het is moeilijk om ongewenste extra effecten van deze aanvullende vrijheidsgraden te vermijden. Hier, Sirota's expertise in regeltheorie had enorme voordelen.

Virtuele interacties

Zoals Sirota uitlegt, regeltheorie is een gebied in de werktuigbouwkunde dat wiskundige hulpmiddelen gebruikt om algoritmen te bedenken die het gedrag van een systeem beschrijven als reactie op een soort kracht of bediening. Het maakt het soort interventies mogelijk dat wordt aangetroffen in autonome of geassisteerde auto's. Bijvoorbeeld, terwijl traditioneel een kunststof bumper aan de voorkant van de auto zou de impact van een aanrijding opvangen, in een autonoom of geassisteerd voertuig, een camera meet de afstand tot de voorligger en grijpt in met remcontrole wanneer deze te dichtbij komt. Zoals Shokef opmerkt, dit bootst al een niet-wederkerige interactie na, omdat er geen gelijke en tegengestelde reactie in de voorligger is zoals bij een botsing met de bumper. Bijgevolg, de onderzoekers konden principes uit de controletheorie toepassen om een ​​actief mechanisch metamateriaal te ontwerpen dat in staat is tot vergelijkbare niet-wederkerigheid in de interacties tussen elementen.

Ze begonnen met het modelleren van een mechanisch metamateriaal dat bestaat uit een reeks verbonden massa-eenheden, waar de eenheden alleen omhoog of omlaag kunnen bewegen - één vrijheidsgraad per massa. Maar in plaats van dat de dynamiek van het systeem wordt geregeerd door de bewegingswetten van Newton, boven elke massa bevindt zich een feedbackcontroller, die de positie van naburige massa's meet, berekent hoe de massa zou reageren als deze wordt bepaald door een kwantum niet-wederkerige uitdrukking voor de interactie, en past vervolgens precies de juiste bediening toe om die reactie te krijgen. "We vervangen de natuurlijke interactie (van bronnen) door een virtuele interactie als je wilt, ' zegt Lahini.

Simulaties van het door actieve feedback gecontroleerde mechanische metamateriaal toonden aan dat het het kwantum Haldane-model kon nabootsen, die het kwantum Hall-effect beschrijft in afwezigheid van een magnetisch veld, iets dat een strijd was geweest om na te bootsen met behulp van passieve mechanische elementen. Bovendien, het doet dit "zonder draaiende delen, " zoals Sirota benadrukt, toevoegen, "Je kunt verschillende topologische effecten nabootsen op hetzelfde platform." De onderzoekers waren ook in staat om het aangepaste Haldane-model na te bootsen, evenals een pseudospin meerpolige topologische isolator door simpelweg de besturingssoftware aan te passen.

Hoewel er enig succes is geweest bij het realiseren van actieve mechanische metamaterialen in één dimensie, dit werk is baanbrekend voor tweedimensionale mechanische metamaterialen met actieve controle-feedback. Volgende, Sirota werkt aan een realisatie van het metamateriaal met behulp van akoestische golven, die gemakkelijker te controleren zijn en intuïtieve inzichten kunnen bieden in de kwantummechanica. Hier, een akoestische golf passeert tussen twee parallelle platen, waarvan er één de actieve feedbackbesturingselementen omvat die luidsprekers en microfoons gebruiken om virtuele niet-wederkerige interacties te geven.

Naast praktische mogelijkheden, het systeem kan, bijvoorbeeld, geluidsisolatie en akoestische verhulling bieden; de onderzoekers zien het potentieel voor hun mechanische analoog om toe te voegen aan het begrip van topologische toestanden van materie. "Als de dingen precies één op één in kaart worden gebracht, het is niet interessant, " zegt Shokef. "Maar op het moment dat deze mapping niet perfect is, nieuwe en interessante fenomenen komen."

"Bovendien, "Lahini voegt eraan toe, "Het mechanische systeem kan het mogelijk maken om op controleerbare wijze veel componenten te introduceren die moeilijk of onmogelijk te bereiken zijn in gecondenseerde materie - interacties, niet-lineariteiten, dynamische mogelijkheden, grenzen en meer."

© 2020 Wetenschap X Netwerk