Northwestern University forskare har lagt till en ny dimension till vikten av mångfald.

För första gången, fysiker har experimentellt visat att vissa system med interagerande enheter endast kan synkronisera om enheterna i systemet skiljer sig från varandra.

Detta fynd ger en ny twist till den tidigare förståelsen av hur kollektivt beteende som finns i naturen - som eldflugor som blinkar i kor eller pacemakerceller som arbetar tillsammans för att generera ett hjärtslag - kan uppstå även när de enskilda insekterna eller cellerna är olika.

Northwestern Adilson Motter, som ledde forskningen, förklarade att identiska enheter naturligtvis beter sig identiskt - tills de börjar interagera.

"När identiska enheter interagerar, de beter sig ofta annorlunda från varandra, sa Motter, som är professor i fysik vid Northwestern Weinberg College of Arts and Sciences. "Men vi identifierade scenarier där enheterna beter sig identiskt igen om du gör dem på lämpligt sätt olika varandra."

Denna upptäckt kan hjälpa forskare att optimera konstgjorda system, som elnätet, där många delar måste förbli synkroniserade medan de interagerar med varandra. Det kan också potentiellt informera hur grupper av människor, som juryer, kan samordna för att nå enighet.

Forskningen kommer att publiceras på måndag, 20 januari i tidningen Naturfysik . Motter författade tidningen tillsammans med Northwestern Takashi Nishikawa och Ferenc Molnar, en tidigare postdoktor vid Northwestern som nu är vid Notre Dame University.

Detta arbete expanderar på Nishikawa och Motters papper från 2016, som teoretiskt förutspådde fenomenet.

"Det är intressant att systemen måste vara asymmetriska för att uppvisa beteendessymmetri, "sa Nishikawa, en forskningsprofessor i fysik i Weinberg. "Detta är anmärkningsvärt matematiskt, än mindre fysiskt. Så, många kollegor trodde att det var omöjligt att demonstrera denna effekt experimentellt. "

Motter och hans medarbetare gjorde det till synes omöjliga genom att använda tre identiska elektriska generatorer. Varje generator oscillerade med en frekvens på exakt 100 cykler per sekund. Vid separering, de identiska generatorerna betedde sig identiskt.

När den är ansluten till en triangel, deras frekvenser divergerade - men bara tills generatorerna inte var korrekt matchade för att ha olika energispridningar. Vid det tillfället, de synkroniserades igen.

"Detta kan visualiseras genom att sätta en liten lampa mellan varje par generatorer, "Förklarade Molnar." När generatorerna är identiska, lampan blinkar, vilket betyder att generatorerna inte är synkroniserade. Men när generatorernas spridning justeras till olika nivåer, det flimrande stoppet, indikerar att generatorns spänningar oscillerar i synkronisering. "

Forskarna kallade detta fenomen "omvänd symmetribrytning" eftersom det representerar motsatsen till det tidigare kända fenomenet symmetribrytning, som ligger till grund för supraledning, Higgs -mekanismen och till och med utseendet på zebra -ränder.

I symmetri bryter, de dynamiska ekvationerna har en symmetri som inte observeras i systemets beteende, medan omvänd symmetribrytning gäller situationer där systemets beteende har en given symmetri endast när den symmetrin undviks i de dynamiska ekvationerna.

"Det kan verka kontraintuitivt, "Sade Motter." Men vår teori förutsäger att detta är sant i många system, inte bara elektromekaniska sådana. "

Motters team planerar att utforska konsekvenserna av sina resultat över sociala, tekniska och biologiska system. Särskilt, teamet arbetar aktivt med utformningen av ett kraftnät som är mer stabilt och samtidigt möjliggör införlivande av en ökande andel energi från förnybara källor.