Un cambio de perspectiva puede hacer maravillas. Esto ha sido especialmente cierto con respecto a los paradigmas para explicar las propiedades de los materiales utilizando el concepto de topología, "ideas que actualmente están revolucionando la física de la materia condensada, "según el investigador de la Universidad de Tel Aviv, Roni Ilan. Si bien la física topológica surgió por primera vez en la física de la materia condensada, las ideas ahora se han extendido a muchas otras áreas, incluyendo óptica y fotónica, así como acústica y otros sistemas mecánicos, donde las cosas se han puesto un poco complicadas.

Aunque los sistemas de ondas mecánicas pueden ofrecer información valiosa sobre el funcionamiento de los sistemas cuánticos, incluidos los fenómenos topológicos, Los investigadores que adoptaron este enfoque chocaron contra una pared con la tercera ley del movimiento de Newton, que establece que toda acción debe resultar en una reacción igual y opuesta. Algunos sistemas cuánticos simplemente no cumplen con este tipo de reciprocidad, haciéndolos difíciles de emular en sistemas mecánicos. Sin embargo, Los colaboradores de la Universidad de Tel Aviv de Israel ahora han encontrado una manera de imitar el comportamiento no newtoniano en los sistemas mecánicos, y así desarrollar una implementación mecánica para algunos de los sistemas cuánticos topológicos más intratables, lo que puede ofrecer conocimientos fundamentalmente nuevos sobre los sistemas topológicos mecánicos y cuánticos.

El equipo reunió experiencia de varios campos diferentes:Ilan en la teoría de la materia condensada, Yair Shokef está en materia blanda, El conocimiento especializado de Yoav Lahini en fotónica topológica, y el eslabón perdido que unificaba la obra, La experiencia de Lea Sirota en ingeniería mecánica y teoría de control. "De alguna manera, todos convergimos cuando Lea vino aquí y comenzó a hablar sobre estas cosas, "dice Lahini.

Rompiendo simetrías

Las complicaciones que surgen al intentar diseñar análogos mecánicos de sistemas cuánticos se derivan esencialmente de la ruptura de la simetría. En términos espaciales, esto podría significar que las interacciones entre los componentes de los sistemas actúan de manera diferente en diferentes direcciones, como los que se encuentran en el corazón de los efectos Hall de espín cuántico y de Hall de valle cuántico en sistemas 2-D. Sin embargo, imitar estos efectos en sistemas mecánicos no es un problema porque puedes jugar fácilmente con la geometría. La ruptura de la simetría en el tiempo se vuelve más complicada.

A nivel microscópico, La mecánica es reversible en el tiempo. Considere una película de dos partículas moviéndose una hacia la otra, colisionar y rebotar:jugar al revés, y aún obtienes una película físicamente creíble de dos partículas que se mueven una hacia la otra, chocar y rebotar. Sin embargo, los efectos cuánticos que surgen cuando los objetos interactúan con campos magnéticos, por ejemplo, rompe esta simetría temporal:reproduce la película al revés, y algo en la imagen no cuadra. Imitar estos efectos significa introducir algún tipo de no reciprocidad para que ya no haya una reacción igual y opuesta a cada acción. y eso es algo que los sistemas mecánicos simplemente no hacen.

"La gente eludió esta barrera utilizando realizaciones algo complicadas, por ejemplo, la introducción de flujos rotativos o giroscopios rotativos y otras complejidades que eventualmente imitarían giros en sistemas cuánticos, "explica Shokef. El problema aquí es que agregar giroscopios o lo que sea a algo que no está girando agrega grados de libertad que no están presentes en el sistema que está tratando de imitar. Entonces, mientras que el sistema podría comenzar a responder como un cuanto no recíproco declarar de alguna manera, es difícil evitar efectos adicionales no deseados de estos grados auxiliares de libertad. Aquí, La experiencia de Sirota en la teoría del control tenía enormes ventajas.

Interacciones virtuales

Como explica Sirota, La teoría de control es un campo de la ingeniería mecánica que utiliza herramientas matemáticas para diseñar algoritmos que describen el comportamiento de un sistema en respuesta a algún tipo de fuerza o actuación. Permite el tipo de intervenciones que se encuentran en los coches autónomos o asistidos. Por ejemplo, mientras que tradicionalmente, un parachoques de plástico en la parte delantera del automóvil absorbería el impacto de una colisión, en un vehículo autónomo o asistido, una cámara mide la distancia al automóvil que va delante e interviene con el control de los frenos cuando se acerca demasiado. Como señala Shokef, esto ya está imitando una interacción no recíproca porque no hay una reacción igual y opuesta en el automóvil de adelante como la que tendría una colisión con el parachoques. Como consecuencia, los investigadores pudieron aplicar principios de la teoría del control para diseñar un metamaterial mecánico activo capaz de una no reciprocidad similar en las interacciones entre elementos.

Comenzaron modelando un metamaterial mecánico formado por una matriz de unidades de masa conectadas, donde las unidades solo pueden moverse hacia arriba o hacia abajo, un grado de libertad por masa. Sin embargo, en lugar de tener la dinámica del sistema regida por las leyes del movimiento de Newton, un controlador de retroalimentación está situado sobre cada masa, que mide la posición de las masas vecinas, calcula cómo respondería la masa si estuviera gobernada por alguna expresión cuántica no recíproca para la interacción, y luego aplica la activación correcta para obtener esa respuesta. "Reemplazamos la interacción natural (de manantiales) con una interacción virtual si lo desea, "dice Lahini.

Las simulaciones del metamaterial mecánico controlado por retroalimentación activa mostraron que podría imitar el modelo cuántico de Haldane, que describe el efecto Hall cuántico en ausencia de un campo magnético, algo que había sido una lucha para imitar usando elementos mecánicos pasivos. Y lo que es más, lo hace "sin partes giratorias, "como enfatiza Sirota, agregando, "Puede imitar diferentes efectos topológicos en la misma plataforma". Los investigadores también pudieron imitar el modelo Haldane modificado, así como un aislante topológico multipolar de pseudospin simplemente ajustando el software de control.

Si bien ha habido cierto éxito en la realización de metamateriales mecánicos activos en una dimensión, este trabajo abre nuevos caminos para metamateriales mecánicos bidimensionales con retroalimentación de control activo. Próximo, Sirota está trabajando en la realización del metamaterial mediante ondas acústicas, que son más fáciles de controlar y pueden ofrecer conocimientos intuitivos sobre la mecánica cuántica. Aquí, una onda acústica pasa entre dos placas paralelas donde una comprende los elementos de control de retroalimentación activa utilizando altavoces y micrófonos para impartir interacciones virtuales no recíprocas.

Además de capacidades prácticas, el sistema puede, por ejemplo, ofrecen aislamiento acústico y camuflaje acústico; los investigadores ven el potencial de su análogo mecánico para contribuir a la comprensión de los estados topológicos de la materia. "Si las cosas se asignan exactamente uno a uno, no es interesante, ", dice Shokef." Pero en el momento en que este mapeo no sea perfecto, surgen fenómenos nuevos e interesantes ".

"Es más, "Lahini agrega, "El sistema mecánico puede permitir introducir de manera controlable muchos componentes que son difíciles o imposibles de lograr en la materia condensada:interacciones, no linealidades, potenciales dinámicos, fronteras y más ".

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