Uma mudança de perspectiva pode fazer maravilhas. Isso tem sido especialmente verdadeiro no que diz respeito aos paradigmas para explicar as propriedades do material usando o conceito de topologia, "ideias que estão revolucionando a física da matéria condensada, "de acordo com o pesquisador da Universidade de Tel Aviv Roni Ilan. Embora a física topológica tenha surgido pela primeira vez na física da matéria condensada, as ideias agora se espalharam para muitas outras áreas, incluindo óptica e fotônica, bem como acústica e outros sistemas mecânicos, onde as coisas estão ficando um pouco complicadas.

Embora os sistemas de ondas mecânicas possam oferecer informações valiosas sobre o funcionamento dos sistemas quânticos, incluindo fenômenos topológicos, pesquisadores que adotaram esta abordagem bateram em uma parede com a terceira lei do movimento de Newton, que determina que toda ação deve resultar em uma reação igual e oposta. Alguns sistemas quânticos simplesmente não obedecem a esse tipo de reciprocidade, tornando-os difíceis de emular em sistemas mecânicos. Contudo, colaboradores da Universidade de Tel Aviv de Israel agora encontraram uma maneira de imitar o comportamento não newtoniano em sistemas mecânicos, e, assim, desenvolver uma implementação mecânica para alguns dos sistemas quânticos topológicos mais intratáveis, que pode oferecer fundamentalmente novos insights sobre os sistemas topológicos mecânicos e quânticos.

A equipe reuniu experiência de vários campos diferentes - a teoria da matéria condensada de Ilan, Yair Shokef está em matéria mole, O conhecimento especializado de Yoav Lahini em fotônica topológica, e o elo que faltava que unificava o trabalho, Formação de Lea Sirota em engenharia mecânica e teoria de controle. "De alguma forma, todos nós convergimos quando Lea veio aqui e começou a falar sobre essas coisas, "diz Lahini.

Quebrando simetrias

As complicações que surgem ao tentar projetar análogos mecânicos de sistemas quânticos resultam essencialmente da quebra de simetria. Em termos espaciais, isso pode significar que as interações entre os componentes nos sistemas agem de forma diferente em diferentes direções, como aqueles no centro dos efeitos Hall do spin quântico e Hall do vale quântico em sistemas 2-D. Contudo, imitar esses efeitos em sistemas mecânicos não é um problema, porque você pode brincar facilmente com a geometria. A quebra de simetria no tempo fica mais complicada.

No nível microscópico, a mecânica é reversível no tempo. Considere um filme de duas partículas movendo-se uma em direção à outra, colidindo e rebatendo - jogue para trás, e você ainda obtém um filme fisicamente credível de duas partículas movendo-se uma em direção à outra, colidindo e ricocheteando. Contudo, os efeitos quânticos que surgem quando os objetos interagem com campos magnéticos, por exemplo, quebre a simetria do tempo - reproduza o filme ao contrário, e algo na imagem não bate certo. Imitar esses efeitos significa introduzir algum tipo de não reciprocidade de modo que não haja mais uma reação igual e oposta a cada ação, e isso é algo que os sistemas mecânicos simplesmente não fazem.

"As pessoas contornaram essa barreira usando realizações um tanto complicadas, por exemplo, introdução de fluxos rotativos ou giroscópios rotativos e outras complexidades que eventualmente imitariam spins em sistemas quânticos, "explica Shokef. O problema aqui é que adicionar giroscópios ou qualquer coisa a algo que não está girando adiciona graus de liberdade que não estão presentes no sistema que você está tentando imitar. Portanto, enquanto o sistema pode começar a responder como um quantum não recíproco estado de algumas maneiras, é difícil evitar efeitos adicionais indesejados desses graus de liberdade auxiliares. Aqui, A experiência de Sirota na teoria de controle tinha enormes vantagens.

Interações virtuais

Como Sirota explica, a teoria do controle é um campo da engenharia mecânica que usa ferramentas matemáticas para desenvolver algoritmos que descrevem o comportamento de um sistema em resposta a algum tipo de força ou atuação. Permite o tipo de intervenções que se encontram em carros autônomos ou assistidos. Por exemplo, enquanto tradicionalmente, um pára-choque de plástico na frente do carro absorveria o impacto de uma colisão, em um veículo autônomo ou assistido, uma câmera mede a distância até o carro da frente e intervém com o controle do freio quando ele se aproxima muito. Como Shokef aponta, isso já está imitando uma interação não recíproca porque não há reação igual e oposta no carro da frente, como ocorreria em uma colisão com o pára-choque. Consequentemente, os pesquisadores foram capazes de aplicar princípios da teoria do controle para projetar um metamaterial mecânico ativo capaz de não-reciprocidade semelhante nas interações entre os elementos.

Eles começaram modelando um metamaterial mecânico composto de uma série de unidades de massa conectadas, onde as unidades podem se mover apenas para cima ou para baixo - um grau de liberdade por massa. No entanto, em vez de ter a dinâmica do sistema regida pelas leis do movimento de Newton, um controlador de feedback está situado sobre cada massa, que mede a posição das massas vizinhas, calcula como a massa responderia se governada por alguma expressão quântica não recíproca para a interação, e então aplica a atuação certa para obter essa resposta. “Substituímos a interação natural (de molas) por uma interação virtual, se você quiser, "diz Lahini.

Simulações do metamaterial mecânico controlado por feedback ativo mostraram que ele poderia imitar o modelo quântico de Haldane, que descreve o efeito Hall quântico na ausência de um campo magnético, algo que tinha sido uma luta para imitar usando elementos mecânicos passivos. O que mais, faz isso "sem peças giratórias, "como Sirota enfatiza, adicionando, "Você pode imitar diferentes efeitos topológicos na mesma plataforma." Os pesquisadores também foram capazes de imitar o modelo Haldane modificado, bem como um isolador topológico multipolo pseudospin simplesmente ajustando o software de controle.

Embora tenha havido algum sucesso na realização de metamateriais mecânicos ativos em uma dimensão, este trabalho inova para metamateriais mecânicos bidimensionais com feedback de controle ativo. Próximo, Sirota está trabalhando em uma realização do metamaterial usando ondas acústicas, que são mais fáceis de controlar e podem oferecer insights intuitivos sobre a mecânica quântica. Aqui, uma onda acústica passa entre duas placas paralelas, onde uma compreende os elementos de controle de feedback ativo usando alto-falantes e microfones para transmitir interações virtuais não recíprocas.

Além de recursos práticos, o sistema pode, por exemplo, oferecem isolamento de som e camuflagem acústica; os pesquisadores veem o potencial de seu análogo mecânico para aumentar a compreensão dos estados topológicos da matéria. "Se as coisas forem exatamente um a um, não é interessante, "diz Shokef." Mas no momento em que esse mapeamento não é perfeito, fenômenos novos e interessantes surgem. "

"Além disso, "Lahini acrescenta, "O sistema mecânico pode permitir a introdução controlada de muitos componentes que são difíceis ou impossíveis de alcançar na matéria condensada - interações, não linearidades, potenciais dinâmicos, limites e muito mais. "

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