Ett internationellt forskarlag inklusive Los Alamos National Laboratory och Tel Aviv University har utvecklat ett unikt, mekaniskt metamaterial som, likt en dator som följer instruktioner, kan komma ihåg ordningen för åtgärder som utförs på den. Namnet Chaco, efter den arkeologiska platsen i norra New Mexico, erbjuder det nya metamaterialet en väg till tillämpningar inom minneslagring, robotik och till och med mekanisk beräkning.
Forskningen har publicerats i Nature Communications .
"Om du drar ett gummiband och sedan vrider det får du samma resultat som om du hade vridit och sedan dragit i det. Vanliga material reagerar på samma sätt på en sekvens av mekaniska manipulationer oavsett deras ordning", säger Cristiano Nisoli. forskare vid Los Alamos.
"Men Chaco uppvisar historieberoende beteende och minns tidigare operationer. Det minnet är typiskt för magnetiska snarare än mekaniska system; vi designade uttryckligen Chaco som den mekaniska analogen till en nanomagnet, kallad Shakti. Vår idé var att Chaco kunde ärva magnetiska minnesegenskaper som vanligtvis saknas i mekanik."
Konceptet med frustration, typiskt för exotiska magnetiska system, inspirerade Chacos design och underbygger dess minnesegenskaper. Magneter kan förhindras från att nå ett enkelt, ordnat tillstånd genom geometrisk frustration om deras magnetiska moment är strategiskt utformade. På samma sätt är Chacos tredimensionella byggstenar ordnade på inkompatibla sätt som förhindrar dem från att enkelt sätta sig in i en ordnad, lågenergikonfiguration.
"Det här arrangemanget genererar en mångfald av interna tillstånd, i vilka minnet kan kodas in", säger Chaviva Sirote-Katz, doktorand vid Tel Avivs universitet.
Chaco designades vid Teoretical Division i Los Alamos och realiserades vid Tel Aviv University. Nisoli föreslog den tidiga designen genom att dra nytta av sin erfarenhet av design av frustrerade konstgjorda nanomagneter. Carl Merrigan och Yair Shokef, från Tel Aviv University, färdigställde designen när de besökte Center for Nolinar Studies i Los Alamos. Gruppen hade insett att den matematiska grunden för magnetisk frustration kunde överföras till meta-mekanik, med liknande exotiska fenomen.
Hur känner Chaco igen en sekvens av handlingar? Nyckeln är materialets icke-abeliska natur, vilket betyder att ordningen på operationerna är avgörande för materialets svar.
"Det här materialet är som en mekanisk minneslagringsenhet som kan komma ihåg en sekvens av ingångar", säger Dor Shohat, doktorand vid Tel Aviv University i gruppen Yoav Lahini.
"Var och en av dess mekaniska byggstenar har två stabila tillstånd, precis som en enda bit av magnetiskt minne. Att vända två enheter i materialet kan leda till ett sluttillstånd, men att vända dessa två enheter i omvänd ordning skulle leda till ett annat sluttillstånd ."
Forskarna använde denna förmåga för att koda information i sekvensen av åtgärder. Genom att observera materialets slutliga tillstånd hämtas informationen.
"Fältet meta-mekanik har lovat nya smarta material genom design," sa Nisoli. "I den teoretiska divisionen hade vi gjort något liknande genom att designa nya nanomagneter. Och nu, genom att genomsyra mekaniska material med de exotiska egenskaper och funktionaliteter som förknippas med magneter, har vi öppnat en ny designriktning inom meta-mekanik."
