Новости космоса и технологий. » Физика » Топологические механические метаматериалы выходят за рамки третьего закона Ньютона

Топологические механические метаматериалы выходят за рамки третьего закона Ньютона

Опубликовал: Admin, 23-11-2020, 01:01, Физика, 44, 0

Топологические механические метаматериалы выходят за рамки третьего закона Ньютона

Изменение перспективы может творить чудеса. Это особенно верно в отношении парадигм для объяснения свойств материалов с использованием концепции топологии, «идей, которые в настоящее время революционизируют физику конденсированного состояния», согласно исследователю Тель-Авивского университета Рони Илан . Хотя топологическая физика впервые появилась в физике конденсированного состояния, сейчас идеи распространились во многие другие области, включая оптику и фотонику, а также акустику и другие механические системы, где все становится немного сложнее.

Хотя механические волновые системы могут дать ценную информацию о работе квантовые системы , включая топологические явления, исследователи, использующие этот подход, натолкнулись на стену с третьим законом движения Ньютона, согласно которому каждое действие должно приводить к равной и противоположной реакции. Некоторые квантовые системы просто не подчиняются такой взаимности, что затрудняет их эмуляцию в механических системах. Тем не менее, сотрудники израильского Тель-Авивского университета теперь нашли способ имитировать неньютоновское поведение механических систем и тем самым разработать механическую реализацию для некоторых из наиболее трудноразрешимых топологических квантовых систем, которые могут предложить принципиально новое понимание как механических, так и механических систем. квантовые топологические системы.

Команда объединила опыт из нескольких разных областей - Илан в теории конденсированного состояния, Яир Шокеф в мягкой материи, Йоав Лахини специальные знания в топологической фотонике и недостающее звено, объединяющее работу, Леа Сирота фон в машиностроение и теория управления. «Каким-то образом мы все сошлись, когда Леа пришла сюда и начала говорить об этих вещах», - говорит Лахини.

Нарушение симметрии

Сложности, возникающие при попытке создать механические аналоги квантовых систем, в основном связаны с нарушением симметрии. С пространственной точки зрения это может означать, что взаимодействия между компонентами систем действуют по-разному в разных направлениях, например, в основе квантовых спиновых эффектов Холла и квантовых долин Холла в двумерных системах. Однако имитация этих эффектов в механических системах не является такой проблемой, потому что вы можете легко играть с геометрией. Нарушение симметрии во времени усложняется.

На микроскопическом уровне механика обратима во времени. Представьте фильм, в котором две частицы движутся навстречу друг другу, сталкиваются и отскакивают - воспроизведите его в обратном направлении, и вы все равно получите физически достоверный фильм, в котором две частицы движутся навстречу друг другу, сталкиваются и отскакивают. Однако квантовые эффекты, которые возникают, когда объекты взаимодействуют с магнитными полями, например, нарушают симметрию на этот раз - воспроизводите фильм в обратном порядке, и что-то на картинке не складывается. Имитация этих эффектов означает введение некоего вида невзаимности, чтобы больше не было равной и противоположной реакции на каждое действие, а это то, что механические системы просто не делай.

«Люди обходили этот барьер, используя несколько запутанные реализации, например, вводя вращающиеся потоки или вращающиеся гироскопы и другие сложности, которые в конечном итоге имитировали спины в квантовых системах», - объясняет Шокеф. Проблема здесь в том, что добавление гироскопов или чего-то еще к чему-то, что не вращается, добавляет степени свободы, которых нет в системе, которую вы пытаетесь имитировать. Таким образом, хотя система может начать реагировать в некотором роде как невзаимное квантовое состояние, трудно избежать нежелательных дополнительных эффектов от этих вспомогательных степеней свободы. Здесь знания Сироты в теории управления имели огромное преимущество.

Виртуальные взаимодействия

Как объясняет Сирота, теория управления - это область машиностроения, в которой используются математические инструменты для разработки алгоритмов, описывающих поведение системы в ответ на какую-либо силу или воздействие. Он допускает такие же вмешательства, какие есть в автономных автомобилях или автомобилях с ассистентом. Например, в то время как традиционно пластиковый бампер в передней части автомобиля поглощал удар при столкновении, в автономном или вспомогательном транспортном средстве камера измеряет расстояние до впереди идущего автомобиля и вмешивается в управление тормозами, когда он приближается слишком близко. . Как указывает Шокеф, это уже имитирует невзаимное взаимодействие, потому что в автомобиле впереди нет равной и противоположной реакции, как это было бы при столкновении с бампером. Следовательно, исследователи смогли применить принципы из теория управления разработать активный механический метаматериал, способный к аналогичной невзаимности во взаимодействиях между элементами.

Они начали с моделирования механического метаматериала, состоящего из множества связанных единиц массы, где единицы могут двигаться только вверх или вниз - одна степень свободы на массу. Однако вместо того, чтобы иметь динамику системы, управляемую законами движения Ньютона, над каждой массой расположен контроллер с обратной связью, который измеряет положение соседних масс, вычисляет, как масса отреагирует, если бы она регулировалась каким-то квантовым невзаимным выражением для взаимодействия, а затем применяет правильное срабатывание, чтобы получить этот ответ. «Если хотите, мы заменяем естественное взаимодействие (пружин) виртуальным», - говорит Лахини.

Моделирование механического метаматериала, управляемого активной обратной связью, показало, что он может имитировать квантовую модель Холдейна, которая описывает квантовый эффект Холла в отсутствие магнитного поля, то, что было сложно имитировать с использованием пассивных механических элементов. Более того, он делает это «без вращающихся частей», как подчеркивает Сирота, добавляя: «Вы можете имитировать различные топологические эффекты на одной платформе». Исследователи также смогли имитировать модифицированную модель Холдейна, а также псевдоспиновый мультипольный топологический изолятор, просто настроив управляющее программное обеспечение.

Хотя был достигнут определенный успех в реализации активные механические метаматериалы в одном измерении , эта работа открывает новые возможности для двумерных механических метаматериалов с активной обратной связью по управлению. Затем Сирота работает над реализацией метаматериала с использованием акустические волны , которые легче контролировать и могут предложить интуитивное понимание квантовой механики. Здесь акустическая волна проходит между двумя параллельными пластинами, одна из которых содержит элементы управления с активной обратной связью с использованием динамиков и микрофонов для обеспечения виртуального невзаимного взаимодействия.

Помимо практических возможностей, система может, например, предлагать звукоизоляцию и акустическую маскировку; исследователи видят потенциал их механического аналога для улучшения понимания топологических состояний материи. «Если все сопоставить точно один к одному, это не интересно», - говорит Шокеф. «Но в тот момент, когда это отображение становится несовершенным, возникают новые и интересные явления».

«Более того, - добавляет Лахини, - механическая система может позволить контролируемым образом вводить многие компоненты, которые трудно или невозможно достичь в конденсированной среде - взаимодействия, нелинейности, динамические потенциалы, границы и многое другое».


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии