Topologiska solitoner kan hittas på många ställen och i många olika längdskalor. Till exempel tar de formen av veck i lindade telefonsladdar och stora molekyler som proteiner. I en helt annan skala kan ett svart hål förstås som en topologisk soliton i rymdtidens struktur. Solitoner spelar en viktig roll i biologiska system och är relevanta för proteinveckning och morfogenes – utvecklingen av celler eller organ.
De unika egenskaperna hos topologiska solitoner – att de kan röra sig men alltid behålla sin form och inte plötsligt kan försvinna – är särskilt intressanta när de kombineras med så kallade icke-reciproka interaktioner. "I en sådan interaktion reagerar en agent A på en agent B annorlunda än hur agent B reagerar på agent A", förklarar Jonas Veenstra, doktor. student vid universitetet i Amsterdam och första författare till den nya publikationen.
Veenstra fortsätter:"Icke-ömsesidiga interaktioner är vanliga i samhället och komplexa levande system men har länge förbisetts av de flesta fysiker eftersom de bara kan existera i ett system utanför jämvikt. Genom att introducera icke-ömsesidiga interaktioner i material hoppas vi att sudda ut gränsen mellan material och maskiner och att skapa levande eller verklighetstrogna material."
Machine Materials Laboratory, där Veenstra forskar, är specialiserat på att designa metamaterial:konstgjorda material och robotsystem som interagerar med sin miljö på ett programmerbart sätt.
Forskargruppen bestämde sig för att studera samspelet mellan icke-ömsesidiga interaktioner och topologiska ensamma för nästan två år sedan när dåvarande studenterna Anahita Sarvi och Chris Ventura Meinersen bestämde sig för att följa upp sitt forskningsprojekt för MSc-kursen 'Academic Skills for Research.'
Solitoner som rör sig som dominobrickor
Det soliton-värdande metamaterialet som forskarna utvecklat består av en kedja av roterande stavar som är förbundna med varandra med elastiska band. Varje stav är monterad på en liten motor som applicerar en liten kraft på staven, beroende på hur den är orienterad i förhållande till sina grannar.
Viktigt är att kraften som appliceras beror på vilken sida grannen är på, vilket gör interaktionerna mellan närliggande stavar oömsesidiga. Slutligen attraheras magneter på stängerna av magneter placerade bredvid kedjan på ett sådant sätt att varje stång har två föredragna positioner, roterade antingen till vänster eller höger.
Solitoner i detta metamaterial är de platser där vänster- och högerroterade delar av kedjan möts. De komplementära gränserna mellan höger- och vänsterroterade kedjesektioner är då så kallade 'anti-solitoner'. Detta är analogt med veck i en gammaldags rullad telefonsladd, där medurs och moturs roterande delar av sladden möts.
När motorerna i kedjan är avstängda kan solitonerna och anti-solitonerna manuellt skjutas runt i båda riktningarna. Men när motorerna - och därmed de ömsesidiga interaktionerna - är påslagna, glider solitonerna och anti-solitonerna automatiskt längs kedjan. De rör sig båda i samma riktning, med en hastighet som ställs in av den antireciprocitet som motorerna påtvingar.
Veenstra säger, "Mycket forskning har fokuserat på att förflytta topologiska solitoner genom att applicera externa krafter. I system som hittills studerats har solitoner och anti-solitoner funnits resa i motsatta riktningar naturligt. Men om du vill kontrollera beteendet hos ( anti-)soliton, kanske du vill köra dem i samma riktning."
"Vi upptäckte att icke-reciproka interaktioner uppnår exakt detta. De icke-reciproka krafterna är proportionella mot rotationen som orsakas av soliton, så att varje soliton genererar sin egen drivkraft."
Solitonernas rörelse liknar en kedja av dominobrickor som faller, var och en välter sin granne. Men till skillnad från dominobrickor säkerställer de icke-ömsesidiga interaktionerna att "stötningen" bara kan ske i en riktning.
Och medan dominobrickor bara kan falla ner en gång, sätter en soliton som rör sig längs metamaterialet helt enkelt upp kedjan för en anti-soliton att röra sig genom den i samma riktning. Med andra ord kan valfritt antal alternerande solitoner och anti-solitoner röra sig genom kedjan utan att behöva "återställa".
Att förstå rollen av icke-ömsesidig körning kommer inte bara att hjälpa oss att bättre förstå beteendet hos topologiska solitoner i levande system utan kan också leda till tekniska framsteg. Mekanismen som genererar de självkörande, enriktade solitonerna som avslöjats i denna studie kan användas för att styra rörelsen hos olika typer av vågor (känd som vågledning) eller för att ge ett metamaterial en grundläggande informationsbearbetningsförmåga såsom filtrering.
Framtida robotar kan också använda topologiska solitoner för grundläggande robotfunktioner som rörelse, att skicka ut signaler och känna av sin omgivning. Dessa funktioner skulle då inte styras från en central punkt utan snarare uppstå från summan av robotens aktiva delar.
Sammantaget kan dominoeffekten av solitoner i metamaterial, nu en intressant observation i labbet, snart börja spela en roll inom olika grenar av ingenjörskonst och design.
Studien är publicerad i tidskriften Nature .
Mer information: Corentin Coulais, Icke-reciproka topologiska solitoner i aktiva metamaterial, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07097-6. www.nature.com/articles/s41586-024-07097-6
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av University of Amsterdam
