Los solitones topológicos se pueden encontrar en muchos lugares y en muchas escalas de longitud diferentes. Por ejemplo, toman la forma de torceduras en cables telefónicos enrollados y moléculas grandes como las proteínas. En una escala muy diferente, un agujero negro puede entenderse como un solitón topológico en el tejido del espacio-tiempo. Los solitones desempeñan un papel importante en los sistemas biológicos y son relevantes para el plegamiento de proteínas y la morfogénesis (el desarrollo de células u órganos).
Las características únicas de los solitones topológicos (que pueden moverse pero siempre conservan su forma y no pueden desaparecer repentinamente) son particularmente interesantes cuando se combinan con las llamadas interacciones no recíprocas. "En tal interacción, un agente A reacciona ante un agente B de manera diferente a la forma en que el agente B reacciona ante el agente A", explica Jonas Veenstra, Ph.D. estudiante de la Universidad de Amsterdam y primer autor de la nueva publicación.
Veenstra continúa:"Las interacciones no recíprocas son comunes en la sociedad y en los sistemas vivos complejos, pero la mayoría de los físicos las han pasado por alto durante mucho tiempo porque sólo pueden existir en un sistema fuera de equilibrio. Al introducir interacciones no recíprocas en los materiales, esperamos desdibujar la límite entre materiales y máquinas y crear materiales animados o realistas."
El Laboratorio de Materiales de Máquinas, donde Veenstra realiza su investigación, se especializa en el diseño de metamateriales:materiales artificiales y sistemas robóticos que interactúan con su entorno de forma programable.
El equipo de investigación decidió estudiar la interacción entre interacciones no recíprocas y solitones topológicos hace casi dos años, cuando los entonces estudiantes Anahita Sarvi y Chris Ventura Meinersen decidieron continuar con su proyecto de investigación para el curso de maestría 'Habilidades académicas para la investigación'. /P>
Solitones moviéndose como fichas de dominó
El metamaterial que alberga solitones desarrollado por los investigadores consiste en una cadena de varillas giratorias unidas entre sí mediante bandas elásticas. Cada varilla está montada en un pequeño motor que aplica una pequeña fuerza a la varilla, dependiendo de cómo esté orientada con respecto a sus vecinas.
Es importante destacar que la fuerza aplicada depende de qué lado está el vecino, lo que hace que las interacciones entre varillas vecinas no sean recíprocas. Finalmente, los imanes de las varillas son atraídos por imanes colocados al lado de la cadena de tal manera que cada varilla tiene dos posiciones preferidas, giradas hacia la izquierda o hacia la derecha.
Los solitones en este metamaterial son los lugares donde se unen las secciones de la cadena que giran hacia la izquierda y hacia la derecha. Los límites complementarios entre las secciones de cadena giradas hacia la derecha y hacia la izquierda se denominan "antisolitones". Esto es análogo a los dobleces en un antiguo cable telefónico enrollado, donde se unen las secciones del cable que giran en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario.
Cuando los motores de la cadena están apagados, los solitones y antisolitones se pueden empujar manualmente en cualquier dirección. Sin embargo, una vez que se encienden los motores (y, por tanto, las interacciones recíprocas), los solitones y antisolitones se deslizan automáticamente a lo largo de la cadena. Ambos se mueven en la misma dirección, con una velocidad marcada por la antireciprocidad impuesta por los motores.
Veenstra dice:"Muchas investigaciones se han centrado en mover solitones topológicos mediante la aplicación de fuerzas externas. En los sistemas estudiados hasta ahora, se descubrió que los solitones y antisolitones viajan naturalmente en direcciones opuestas. Sin embargo, si desea controlar el comportamiento de ( anti-)solitones, es posible que quieras conducirlos en la misma dirección."
"Descubrimos que las interacciones no recíprocas logran exactamente esto. Las fuerzas no recíprocas son proporcionales a la rotación causada por el solitón, de modo que cada solitón genera su propia fuerza motriz."
El movimiento de los solitones es similar a una cadena de fichas de dominó que caen, cada una derribando a su vecina. Sin embargo, a diferencia del dominó, las interacciones no recíprocas garantizan que el "derroque" sólo pueda ocurrir en una dirección.
Y mientras que las fichas de dominó sólo pueden caer una vez, un solitón que se mueve a lo largo del metamaterial simplemente prepara la cadena para que un antisolitón se mueva a través de él en la misma dirección. En otras palabras, cualquier número de solitones y antisolitones alternos pueden moverse a través de la cadena sin necesidad de "reiniciar".
Comprender el papel de la conducción no recíproca no sólo nos ayudará a comprender mejor el comportamiento de los solitones topológicos en los sistemas vivos, sino que también puede conducir a avances tecnológicos. El mecanismo que genera los solitones unidireccionales autónomos descubiertos en este estudio se puede utilizar para controlar el movimiento de diferentes tipos de ondas (conocido como guía de ondas) o para dotar a un metamaterial de una capacidad básica de procesamiento de información, como el filtrado. /P>
Los robots del futuro también podrán utilizar solitones topológicos para funciones robóticas básicas como movimiento, envío de señales y detección de su entorno. Estas funcionalidades entonces no se controlarían desde un punto central sino que surgirían de la suma de las partes activas del robot.
Con todo, el efecto dominó de los solitones en los metamateriales, ahora una observación interesante en el laboratorio, pronto podría comenzar a desempeñar un papel en diferentes ramas de la ingeniería y el diseño.
El estudio se publica en la revista Nature. .Control de movimiento
Más información: Corentin Coulais, Solitones topológicos no recíprocos en metamateriales activos, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07097-6. www.nature.com/articles/s41586-024-07097-6
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Ámsterdam
