De flesta teknologier förlitar sig idag på enheter som transporterar energi i form av ljus, radio, eller mekaniska vågor. Dock, dessa vågledande kanaler är känsliga för störningar och skador, antingen i tillverkningen eller efter att de används i tuffa miljöer.

Forskare från University of Illinois vid Urbana-Champaigns Grainger College of Engineering har experimentellt demonstrerat ett nytt sätt att transportera energi även genom vågledare som är defekta, och även om störningen är ett övergående fenomen i tiden. Detta arbete kan leda till mycket mer robusta enheter som fortsätter att fungera trots skador.

Gaurav Bahl, docent i mekanisk vetenskap och teknik, och Taylor Hughes, fysik professor, publicerade sina resultat i Naturkommunikation . Detta viktiga arbete leddes av postdoktorn Inbar Grinberg, även inom mekanisk vetenskap och teknik.

Deras artikel, "Robust temporal pumpning i en magnetomekanisk topologisk isolator, " beskriver demonstrationen av en topologisk pump, ett system som producerar on-demand, robust transport av mekanisk energi när den periodvis drivs i tid. Forskarna byggde den topologiska pumpen med ett endimensionellt magnetomekaniskt konstgjort material, består av fjädrar, massor, och magneter.

Inspirationen till pumpen kom från den nobelprisbelönade fysikern David Thouless arbete från 1983, där han föreslog ett system för att uppnå kvantifierad transport av enskilda partiklar, t.ex. elektroner, genom en periodisk potential, t.ex. en kedja av atomer. Den underliggande principen är att gradvis, periodiska moduleringar till kedjans struktur som funktion av tiden. Vid slutförandet av varje period av pumpcykeln, en enda partikel måste komma in i kedjan i ena änden, och samtidigt måste en enda partikel lämna den andra änden av kedjan. Detta sker på ett tillförlitligt sätt även om atomkedjan har en viss måttlig störning.

Denna typ av system kallas en pump eftersom dess tekniska beskrivning framkallar en vision av en Archimedes-skruv, en handdriven vattenpump med historiska referenser från det antika Egypten.

Grainger-forskarna tog Thouless idé och implementerade den i en mekanisk topologisk pump. En anmärkningsvärd skillnad är att deras pump transporterar mekanisk energi, inte partiklar eller vatten, över hela kedjan under en period av pumpcykeln. Dessutom, pumpen fungerar framgångsrikt även om kedjan har betydande oordning i rum eller tid. För att komplettera analogin med en vattenskruvpump, forskarna drev sin demonstration med en roterande vevaxel.

"I sista hand, vi skulle vilja utöka denna demonstration till att producera liknande fjädrande vågledare för ljus, ljud, och el, " förklarade Bahl. "Drömmen är att sätta en signal i ena änden av en endimensionell kanal, och har garanterat transport till andra änden, på ett robust sätt närhelst användaren vill ha det. Vi tror att topologiska pumpar är ett bra sätt att göra det."

Optiska fibrer och kopparlinjer utgör ryggraden i all vår kommunikationsteknik. Nuvarande, måttlig skada längs sådana kommunikationskanaler — t.ex. allt annat än fullständig frånkoppling – kan minska signalstyrkan och till och med producera oönskade reflektioner, vilket negativt påverkar mängden data som dessa kanaler kan bära.

Forskargruppen tror att topologisk pumpning kan vara en bra lösning i dessa scenarier.