Un cambio di prospettiva può fare miracoli. Ciò è stato particolarmente vero per quanto riguarda i paradigmi per spiegare le proprietà dei materiali utilizzando il concetto di topologia, "idee che stanno attualmente rivoluzionando la fisica della materia condensata, " secondo il ricercatore dell'Università di Tel Aviv Roni Ilan. Mentre la fisica topologica è emersa per la prima volta nella fisica della materia condensata, le idee si sono ora diffuse in molte altre aree, tra cui ottica e fotonica, così come l'acustica e altri sistemi meccanici, dove le cose si sono fatte un po' complicate.

Sebbene i sistemi a onde meccaniche possano offrire preziose informazioni sul funzionamento dei sistemi quantistici, compresi i fenomeni topologici, i ricercatori che adottavano questo approccio avevano urtato contro un muro con la terza legge del moto di Newton, che stabilisce che ogni azione deve sfociare in una reazione uguale e contraria. Alcuni sistemi quantistici semplicemente non rispettano questo tipo di reciprocità, rendendoli difficili da emulare nei sistemi meccanici. Però, i collaboratori dell'Università israeliana di Tel Aviv hanno ora trovato un modo per imitare il comportamento non newtoniano nei sistemi meccanici, e quindi sviluppare un'implementazione meccanica per alcuni dei sistemi quantistici topologici più intrattabili, che può offrire fondamentalmente nuove intuizioni sia sui sistemi topologici meccanici che quantistici.

Il team ha riunito competenze provenienti da diversi campi:quello di Ilan nella teoria della materia condensata, Yair Shokef è nella materia molle, Le conoscenze specialistiche di Yoav Lahini in fotonica topologica, e l'anello mancante che univa il lavoro, Il background di Lea Sirota in ingegneria meccanica e teoria del controllo. "In qualche modo, siamo tutti d'accordo quando Lea è venuta qui e ha iniziato a parlare di queste cose, "dice Lahini.

Rompendo le simmetrie

Le complicazioni che emergono quando si cerca di progettare analoghi meccanici dei sistemi quantistici derivano essenzialmente dalla rottura della simmetria. In termini spaziali, questo potrebbe significare che le interazioni tra i componenti dei sistemi agiscono in modo diverso in direzioni diverse, come quelli al centro degli effetti Hall di spin quantistico e di Hall della valle quantistica nei sistemi 2-D. Però, imitare questi effetti nei sistemi meccanici non è un problema perché puoi facilmente giocare con la geometria. La rottura della simmetria nel tempo diventa più complicata.

A livello microscopico, la meccanica è reversibile nel tempo. Consideriamo un film di due particelle che si muovono l'una verso l'altra, collisione e rimbalzo:riproducilo all'indietro, e ottieni ancora un film fisicamente credibile di due particelle che si muovono l'una verso l'altra, collisione e rimbalzo. Però, gli effetti quantistici che sorgono quando gli oggetti interagiscono con i campi magnetici, Per esempio, rompi questa simmetria temporale:riproduci il film all'indietro, e qualcosa nella foto non torna. Imitare questi effetti significa introdurre una sorta di non reciprocità in modo che non ci sia più una reazione uguale e contraria ad ogni azione, e questo è qualcosa che i sistemi meccanici semplicemente non fanno.

"Le persone hanno aggirato questa barriera usando realizzazioni un po' complicate, ad esempio, introducendo flussi rotanti o giroscopi rotanti e altre complessità che alla fine imiterebbero gli spin nei sistemi quantistici, " spiega Shokef. Il problema qui è che l'aggiunta di giroscopi o altro a qualcosa che non gira aggiunge gradi di libertà che non sono presenti nel sistema che stai cercando di imitare. Quindi, mentre il sistema potrebbe iniziare a rispondere come un quanto non reciproco stato in qualche modo, è difficile evitare effetti aggiuntivi indesiderati da questi gradi di libertà ausiliari. Qui, L'esperienza di Sirota nella teoria del controllo aveva enormi vantaggi.

Interazioni virtuali

Come spiega Sirota, la teoria del controllo è un campo dell'ingegneria meccanica che utilizza strumenti matematici per ideare algoritmi che descrivono il comportamento di un sistema in risposta a un qualche tipo di forza o attuazione. Consente il tipo di interventi che si trovano nelle auto autonome o assistite. Ad esempio, mentre tradizionalmente, un paraurti di plastica nella parte anteriore dell'auto assorbirebbe l'impatto di una collisione, in un veicolo autonomo o assistito, una telecamera misura la distanza dall'auto che precede e interviene con il controllo del freno quando si avvicina troppo. Come sottolinea Shokef, questo sta già imitando un'interazione non reciproca perché non c'è una reazione uguale e contraria nell'auto davanti come ci sarebbe da una collisione con il paraurti. Di conseguenza, i ricercatori sono stati in grado di applicare i principi della teoria del controllo per progettare un metamateriale meccanico attivo capace di una non reciprocità simile nelle interazioni tra gli elementi.

Hanno iniziato modellando un metamateriale meccanico costituito da una serie di unità di massa collegate, dove le unità possono spostarsi solo verso l'alto o verso il basso, un grado di libertà per massa. Tuttavia, invece di avere la dinamica del sistema governata dalle leggi del moto di Newton, un controller di retroazione è situato su ciascuna massa, che misura la posizione delle masse vicine, calcola come risponderebbe la massa se governata da qualche espressione quantistica non reciproca per l'interazione, e poi applica la giusta attivazione per ottenere quella risposta. "Sostituiamo l'interazione naturale (delle sorgenti) con un'interazione virtuale se vuoi, "dice Lahini.

Le simulazioni del metamateriale meccanico controllato dal feedback attivo hanno mostrato che potrebbe imitare il modello quantistico Haldane, che descrive l'effetto Hall quantistico in assenza di campo magnetico, qualcosa che era stato difficile imitare usando elementi meccanici passivi. Cosa c'è di più, lo fa "senza parti rotanti, "come sottolinea Sirota, aggiungendo, "Puoi imitare diversi effetti topologici sulla stessa piattaforma". I ricercatori sono stati anche in grado di imitare il modello Haldane modificato, così come un isolante topologico multipolare pseudospin semplicemente regolando il software di controllo.

Sebbene ci sia stato un certo successo nella realizzazione di metamateriali meccanici attivi in ​​una dimensione, questo lavoro apre nuove strade ai metamateriali meccanici bidimensionali con feedback di controllo attivo. Prossimo, Sirota sta lavorando alla realizzazione del metamateriale utilizzando onde acustiche, che sono più facili da controllare e possono offrire intuizioni intuitive sulla meccanica quantistica. Qui, un'onda acustica passa tra due piastre parallele di cui una comprende gli elementi di controllo del feedback attivo utilizzando altoparlanti e microfoni per impartire interazioni virtuali non reciproche.

Oltre alle capacità pratiche, il sistema può, ad esempio, offrire isolamento acustico e occultamento acustico; i ricercatori vedono il potenziale del loro analogo meccanico da aggiungere alla comprensione degli stati topologici della materia. "Se le cose mappano esattamente uno a uno, non è interessante, " dice Shokef. "Ma nel momento in cui questa mappatura non è perfetta, emergono fenomeni nuovi e interessanti."

"Inoltre, "Lahini aggiunge, "Il sistema meccanico può consentire di introdurre in modo controllabile molti componenti che sono difficili o impossibili da ottenere nella materia condensata:interazioni, non linearità, potenzialità dinamiche, confini e altro ancora".

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