En förändring i perspektiv kan göra underverk. Detta har särskilt gällt med avseende på paradigmen för att förklara materialegenskaper med begreppet topologi, "idéer som för närvarande revolutionerar den kondenserade materiens fysik, " enligt Tel Aviv University-forskaren Roni Ilan. Medan topologisk fysik först dök upp inom den kondenserade materiens fysik, idéerna har nu spridit sig till många andra områden, inklusive optik och fotonik, liksom akustik och andra mekaniska system, där det har blivit lite knepigt.

Även om mekaniska vågsystem kan erbjuda värdefulla insikter om hur kvantsystem fungerar, inklusive topologiska fenomen, forskare som tog detta tillvägagångssätt hade träffat en vägg med Newtons tredje rörelselag, som reglerar att varje handling måste resultera i en lika och motsatt reaktion. Vissa kvantsystem följer helt enkelt inte denna typ av ömsesidighet, vilket gör dem svåra att efterlikna i mekaniska system. Dock, medarbetare vid Israels Tel Aviv-universitet har nu hittat ett sätt att efterlikna icke-newtonskt beteende i mekaniska system, och därigenom utveckla en mekanisk implementering för några av de mer svårhanterliga topologiska kvantsystemen, som kan erbjuda fundamentalt nya insikter i både de mekaniska och kvanttopologiska systemen.

Teamet samlade expertis från flera olika områden – Ilans inom teori om kondenserad materia, Yair Shokef är i mjuk materia, Yoav Lahinis specialistkunskaper inom topologisk fotonik, och den saknade länken som förenade arbetet, Lea Sirotas bakgrund inom maskinteknik och reglerteori. "På något sätt, vi möttes alla när Lea kom hit och började prata om dessa saker, säger Lahini.

Brytande symmetrier

De komplikationer som dyker upp när man försöker designa mekaniska analoger av kvantsystem härrör i huvudsak från symmetribrott. I rumsliga termer, detta kan innebära att interaktioner mellan komponenter i systemen agerar olika i olika riktningar, såsom de som ligger i hjärtat av quantum spin Hall- och quantum valley Hall-effekter i 2D-system. Dock, att efterlikna dessa effekter i mekaniska system är inte ett sådant problem eftersom du enkelt kan spela med geometri. Symmetribrott i tiden blir mer komplicerat.

På mikroskopisk nivå, mekanik är tidsreversibel. Tänk på en film med två partiklar som rör sig mot varandra, kolliderar och studsar – spela det baklänges, och du får fortfarande en fysiskt trovärdig film av två partiklar som rör sig mot varandra, kolliderar och backar. Dock, de kvanteffekter som uppstår när föremål interagerar med magnetfält, till exempel, bryt den här tidssymmetrin – spela filmen baklänges, och något på bilden stämmer inte. Att härma dessa effekter innebär att införa någon form av icke-ömsesidighet så att det inte längre finns en lika och motsatt reaktion på varje handling, och det är något som mekaniska system helt enkelt inte gör.

"Människor kringgick denna barriär med hjälp av lite involverade insikter, till exempel, införa roterande flöden eller roterande gyroskop och andra komplexiteter som så småningom skulle efterlikna spinn i kvantsystem, " förklarar Shokef. Problemet här är att lägga till gyroskop eller vad som helst till något som inte snurrar ger frihetsgrader som inte finns i systemet du försöker efterlikna. Så även om systemet kan börja reagera som ett icke-ömsesidigt kvantum. ange på något sätt, det är svårt att undvika oönskade ytterligare effekter från dessa extra frihetsgrader. Här, Sirotas expertis inom kontrollteori hade enorma fördelar.

Virtuella interaktioner

Som Sirota förklarar, kontrollteori är ett fält inom maskinteknik som använder matematiska verktyg för att ta fram algoritmer som beskriver ett systems beteende som svar på någon form av kraft eller aktivering. Det tillåter den typ av ingrepp som finns i autonoma eller assisterade bilar. Till exempel, medan traditionellt, en plaststötfångare framtill på bilen skulle absorbera kollision, i ett autonomt eller assisterat fordon, en kamera mäter avståndet till bilen framför och ingriper med bromskontroll när den kommer för nära. Som Shokef påpekar, detta efterliknar redan en icke-ömsesidig interaktion eftersom det inte finns någon lika och motsatt reaktion i bilen framför som det skulle vara från en kollision med stötfångaren. Följaktligen, forskarna kunde tillämpa principer från kontrollteori för att designa ett aktivt mekaniskt metamaterial som kan ha liknande icke-ömsesidighet i interaktionerna mellan element.

De började med att modellera ett mekaniskt metamaterial som består av en rad sammankopplade massenheter, där enheterna bara kan röra sig uppåt eller nedåt - en frihetsgrad per massa. Men istället för att systemets dynamik styrs av Newtons rörelselagar, en återkopplingskontroller är placerad över varje massa, som mäter läget för närliggande massor, beräknar hur massan skulle reagera om den styrs av ett kvant icke-ömsesidigt uttryck för interaktionen, och tillämpar sedan precis rätt aktivering för att få det svaret. "Vi ersätter den naturliga interaktionen (av fjädrar) med en virtuell interaktion om du vill, säger Lahini.

Simuleringar av det aktiva återkopplingskontrollerade mekaniska metamaterialet visade att det kunde efterlikna kvanthaldane-modellen, som beskriver kvanthalleffekten i frånvaro av ett magnetfält, något som hade varit en kamp att efterlikna med hjälp av passiva mekaniska element. Vad mer, det gör det "utan spinnande delar, " som Sirota betonar, lägga till, "Du kan härma olika topologiska effekter på samma plattform." Forskarna kunde också efterlikna den modifierade Haldane-modellen, samt en pseudospin multipol topologisk isolator genom att helt enkelt justera kontrollmjukvaran.

Även om det har varit en viss framgång med att förverkliga aktiva mekaniska metamaterial i en dimension, detta arbete bryter ny mark för tvådimensionella mekaniska metamaterial med aktiv kontrollåterkoppling. Nästa, Sirota arbetar med att förverkliga metamaterialet med hjälp av akustiska vågor, som är lättare att kontrollera och kan erbjuda intuitiva insikter i kvantmekanik. Här, en akustisk våg passerar mellan två parallella plattor där den ena omfattar de aktiva återkopplingskontrollelementen som använder högtalare och mikrofoner för att ge virtuella icke-ömsesidiga interaktioner.

Förutom praktiska möjligheter, systemet kan, till exempel, erbjuder ljudisolering och akustisk cloaking; forskarna ser potentialen för deras mekaniska analog att öka till förståelsen av topologiska tillstånd av materia. "Om saker kartläggs exakt en till en, det är inte intressant, " säger Shokef. "Men i det ögonblick den här kartläggningen inte är perfekt, nya och intressanta fenomen dyker upp."

"Dessutom, " Lahini tillägger, "Det mekaniska systemet kan tillåta att kontrollerbart införa många komponenter som är svåra eller omöjliga att uppnå i kondenserad materia - interaktioner, olinjäriteter, dynamiska potentialer, gränser och mer."

© 2020 Science X Network