_ Un efect de domino nesfârșit : solitonii topologici nereciproci în metamateriale active

Solionii topologici pot fi găsiți în multe locuri și la multe scale de lungime diferite. De exemplu, ele iau forma unor îndoituri în cablurile telefonice spiralate și molecule mari, cum ar fi proteinele. La o scară foarte diferită, o gaură neagră poate fi înțeleasă ca un soliton topologic în structura spațiu-timpului. Solitonii joacă un rol important în sistemele biologice, fiind relevanți pentru plierea proteinelor și morfogeneza — dezvoltarea celulelor sau a organelor.

Trăsăturile unice ale solitonilor topologici — că se pot deplasa, dar își păstrează întotdeauna forma și nu pot. dispar brusc — sunt deosebit de interesante atunci când sunt combinate cu așa-numitele interacțiuni non-reciproce. „Într-o astfel de interacțiune, un agent A reacționează la un agent B diferit de modul în care agentul B reacționează la agentul A”, explică Jonas Veenstra, Ph.D. student la Universitatea din Amsterdam și primul autor al noii publicații.

Veenstra continuă: „Interacțiunile non-reciproce sunt obișnuite în societate și în sistemele vii complexe, dar au fost de mult trecute cu vederea de majoritatea fizicienilor, deoarece pot exista doar într-un sistem dezechilibrat. Prin introducerea de interacțiuni non-reciproce în materiale, sperăm să estompăm granița dintre materiale și mașini și să creăm materiale animate sau realiste.”

Laboratorul de materiale pentru mașini, unde Veenstra face cercetarea sa, este specializată în proiectarea metamaterialelor: materiale artificiale și sisteme robotizate care interacționează cu mediul lor într-un mod programabil.

Echipa de cercetare a decis să studieze interacțiunea dintre interacțiunile nereciproce și solitonii topologici în urmă cu aproape doi ani. când studenții de atunci Anahita Sarvi și Chris Ventura Meinersen au decis să-și continue proiectul de cercetare pentru cursul de masterat „Abilitati academice pentru cercetare”.

Solitonii se mișcă ca dominoul

Solitonul- metamaterialul de găzduire dezvoltat de cercetători constă dintr-un lanț de tije rotative care sunt legate între ele prin benzi elastice. Fiecare tija este montata pe un mic motor care aplica o forta mica tijei, in functie de modul in care este orientata fata de vecinii ei.

Important, forta aplicata depinde de ce parte se afla vecinul, făcând interacţiunile dintre tijele învecinate să nu fie reciproce. În cele din urmă, magneții de pe tije sunt atrași de magneții plasați lângă lanț în așa fel încât fiecare tijă să aibă două poziții preferate, rotite fie spre stânga, fie spre dreapta.

Solitonii din acest metamaterial sunt locațiile. unde se întâlnesc secțiunile lanțului rotite la stânga și la dreapta. Granițele complementare dintre secțiunile de lanț rotite la dreapta și la stânga sunt atunci așa-numitele „anti-solitonuri”. Acest lucru este analog cu îndoirile unui cablu telefonic spiralat de modă veche, unde secțiunile cablului care se rotesc în sensul acelor de ceasornic și în sens invers acelor de ceasornic se întâlnesc.

Când motoarele din lanț sunt oprite, solitonii și anti-solitonii pot fi împins manual în ambele direcții. Cu toate acestea, odată ce motoarele - și, prin urmare, interacțiunile reciproce - sunt pornite, solitonii și anti-solitonii alunecă automat de-a lungul lanțului. Ambele se mișcă în aceeași direcție, cu o viteză stabilită de anti-reciprocitatea impusă de motoare.

Veenstra spune: „Multe cercetări s-au concentrat pe mutarea solitonilor topologici prin aplicarea forțelor externe. În sisteme studiate până acum, s-a constatat că solitonii și anti-solitonii călătoresc în direcții opuse în mod natural. Cu toate acestea, dacă doriți să controlați comportamentul (anti-)sololiților, este posibil să doriți să le conduceți în aceeași direcție."

"Am descoperit că interacțiunile non-reciproce realizează exact acest lucru. Forțele non-reciproce sunt proporționale cu rotația cauzată de soliton, astfel încât fiecare soliton își generează propria forță motrice."

Mișcarea solitonilor este similară cu un lanț de piese de domino care cad, fiecare răsturnându-și vecinul. Cu toate acestea, spre deosebire de domino, interacțiunile non-reciproce asigură că „răsturnarea” poate avea loc doar într-o singură direcție.

Și în timp ce dominoul poate cădea o singură dată, un soliton care se mișcă de-a lungul metamaterialului pur și simplu stabilește lanțul pentru ca un anti-soliton să se deplaseze prin el în aceeași direcție. Cu alte cuvinte, orice număr de solitoni și anti-solitoni alternativi se pot deplasa prin lanț fără a fi nevoie de „resetare”.

Înțelegerea rolului conducerii non-reciproce nu ne va ajuta doar să înțelegem mai bine comportamentul solitonilor topologici în sistemele vii, dar poate duce și la progrese tehnologice. Mecanismul care generează solinii unidirecționali, auto-conduși, descoperiți în acest studiu, poate fi utilizat pentru a controla mișcarea diferitelor tipuri de unde (cunoscute sub numele de ghidare de undă) sau pentru a dota un metamaterial cu o capacitate de bază de procesare a informațiilor, cum ar fi filtrarea. /p>

Viitorii roboți pot folosi și solitonii topologici pentru funcționalități robotice de bază, cum ar fi mișcarea, trimiterea de semnale și detectarea împrejurimilor. Aceste funcționalități nu ar fi apoi controlate dintr-un punct central, ci mai degrabă apar din suma părților active ale robotului.

În totalitate, efectul domino al solitonilor din metamateriale, acum o observație interesantă în laborator, ar putea începe în curând să joace un rol în diferite ramuri ale ingineriei și proiectării.

Studiul este publicat în revista Nature.

(Fluierul)