La maggior parte delle tecnologie oggi si basa su dispositivi che trasportano energia sotto forma di luce, Radio, o onde meccaniche. Però, questi canali guida d'onda sono suscettibili di disordine e danni, sia nella produzione che dopo l'utilizzo in ambienti difficili.

I ricercatori dell'Università dell'Illinois presso il Grainger College of Engineering di Urbana-Champaign hanno dimostrato sperimentalmente un nuovo modo di trasportare energia anche attraverso guide d'onda difettose, e anche se il disturbo è un fenomeno transitorio nel tempo. Questo lavoro potrebbe portare a dispositivi molto più robusti che continuano a funzionare nonostante i danni.

Gaurav Bahl, professore associato di scienze e ingegneria meccanica, e Taylor Hughes, professore di fisica, pubblicato i loro risultati in Comunicazioni sulla natura . Questo importante lavoro è stato condotto dal ricercatore post-dottorato Inbar Grinberg, anche in scienze meccaniche e ingegneria.

Il loro articolo, "Pompaggio temporale robusto in un isolante topologico magneto-meccanico, " dettaglia la dimostrazione di una pompa topologica, un sistema che produce su richiesta, trasporto robusto di energia meccanica quando è guidato periodicamente nel tempo. I ricercatori hanno costruito la pompa topologica utilizzando un materiale artificiale magneto-meccanico unidimensionale, composto da molle, masse, e magneti.

L'ispirazione per la pompa è venuta dal lavoro del fisico vincitore del premio Nobel David Thouless del 1983, in cui ha proposto uno schema per ottenere il trasporto quantizzato di singole particelle, per esempio. elettroni, attraverso un potenziale periodico, per esempio. una catena di atomi. Il principio alla base è quello di rendere graduale, modulazioni periodiche alla struttura della catena in funzione del tempo. Al completamento di ogni periodo del ciclo di pompaggio, una singola particella deve entrare nella catena da un'estremità, e contemporaneamente una singola particella deve uscire dall'altra estremità della catena. Ciò si verifica in modo affidabile anche se la catena di atomi presenta una moderata quantità di disordine.

Questo tipo di impianto viene definito pompa perché la sua descrizione tecnica evoca una visione di una vite di Archimede, una pompa dell'acqua a manovella con riferimenti storici risalenti all'antico Egitto.

I ricercatori Grainger hanno preso l'idea di Thouless e l'hanno implementata in una pompa topologica meccanica. Una notevole distinzione è che la loro pompa trasporta energia meccanica, non particelle o acqua, lungo l'intera catena in un periodo del ciclo di pompaggio. Inoltre, la pompa funziona correttamente anche se la catena presenta notevoli disordine nello spazio o nel tempo. Per completare l'analogia con una pompa a vite dell'acqua, i ricercatori hanno alimentato la loro dimostrazione con un albero a gomiti rotante.

"In definitiva, vorremmo estendere questa dimostrazione per produrre guide d'onda altrettanto resistenti per la luce, suono, ed elettricità, " ha spiegato Bahl. "Il sogno è di mettere un segnale a un'estremità di un canale unidimensionale, e avere il trasporto garantito all'altra estremità, in modo robusto ogni volta che l'utente lo desidera. Riteniamo che le pompe topologiche siano un ottimo modo per farlo".

Le linee in fibra ottica e rame costituiscono la spina dorsale di tutte le nostre tecnologie di comunicazione. Attualmente, danni moderati lungo tali canali di comunicazione, ad es. tutt'altro che completa disconnessione:può ridurre la potenza del segnale e persino produrre riflessi indesiderati, che influiscono negativamente sulla quantità di dati che questi canali possono trasportare.

Il team di ricerca ritiene che il pompaggio topologico potrebbe essere un'ottima soluzione in questi scenari.