Новый прорыв в физике в области топологической материи

Иногда по внутренней стороне материала можно определить, что происходит снаружи.

Команда физиков из Университета Амстердама разработала новый способ использования этой общей истины, в частности, в системах, которые не экономят энергию. Результаты были опубликованы в издании "Proceedings of the National Academy of Sciences" ("Труды Национальной академии наук").

От теории к материалу

В физике и математике топология - это изучение фигур и форм в целом. Топология не заботится о мельчайших деталях, а задается вопросом, что можно узнать о системе из ее самых общих свойств. Например, в топологии пончик и обручальное кольцо по сути одно и то же: оба они имеют твердую форму с одним отверстием. Крендель же с двумя или тремя отверстиями можно считать топологически разной формы.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Топология обещает революционные технологии во многих областях, от квантовой электроники до акустики и механики. Топология также играет роль во многих материалах. Фундаментальным свойством топологической материи является так называемое насыпное пограничное соответствие: простая топологическая величина, наблюдаемая внутри материала, может предсказать появление волн, локализованных по краям материала.

Известный закон физики гласит, что энергия сохраняется: она может трансформироваться из одной формы в другую (например, скатывающийся с горы шар, превращает гравитационную энергию в энергию движения), но при этом не теряется и не появляется из ниоткуда. Однако, этот закон действует только в идеализированных системах, идеально изолированных от окружающей среды. В реальных физических системах энергия действительно теряется, например, просто потому, что она покидает (рассеивается) систему. И наоборот, в материаловедении сейчас строят "активные материалы", которые на самом деле получают энергию из своего окружения.

В последнее время наблюдается взрыв активности с целью обобщения концепции топологии для таких более реальных систем, в которых энергия может теряться или накапливаться. Однако, несмотря на интенсивные усилия, экспериментально не наблюдалось никакого поведения краевых волн топологии в системах, которые не сохраняют энергию. В новой статье, которая появилась в журнале "Proceedings of the National Academy of Sciences" на этой неделе, команда физиков из Университета Амстердама достигла двух прорывов в этой динамичной области.

Прежде всего, команда обнаружила новую форму объемно-граничного соответствия: новое отношение между внутренней частью материала и тем, что происходит на его границе, особенно актуальное для этих энергонесущих систем. Было показано, что определенное изменение топологии внутри материала, приводит к изменению расположения волнообразных эффектов на границах.

Во-вторых, команда сделала этот теоретический вывод очень конкретным, построив из зубчатых колес, стержней, рычагов и крошечных роботов конкретный метаматериал с теоретически предсказанным свойством. Фактически, наиболее благоприятными средами для восприятия влияния топологии на распространение волн являются такие метаматериалы, которые представляют собой композитные системы, искусственно выполненные в виде компоновок одинаковых узлов. На рисунке выше показан одномерный пример: каждый компонент только "общается" со своими левыми и правыми соседями.

В идеализированных сценариях каждая идентичная единица в таком метаматериале ведет симметричные переговоры со своими соседями, что приводит к экономии энергии. Однако в материале, построенном исследователями, единицы по-разному разговаривают со своими левым и правым соседями. Это приводит к тому, что система получает или теряет энергию из окружающей среды. Физикам теперь удалось показать, что даже в этом случае можно пропускать волны через систему, а топология потом объясняет, как эти волны в интерьере воздействуют на волны на границе. В частности, топология установки определяет, с какой стороны материала происходят эти краевые волны.

Работа может оказать значительное влияние на многие отрасли физики, начиная от квантовой механики для систем, которые не находятся в равновесии, и заканчивая конструированием новых интересных метаматериалов для ситуаций, в которых полезно инжиниринг волновых свойств путем рулевого управления волнами по требованию. Потенциальные области применения - это зондирование или сбор энергии, или, например, создание новых материалов, которые очень эффективно амортизируют или смягчают удары и вибрации. опубликовано econet.ru по материалам scitechdaily.com

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet