Topologie biedt ook bescherming in mechanische metamaterialen
Mechanisch equivalent topologische isolatoren ontwikkeld
Onderzoekers van de Stichting FOM en de Universiteit Leiden laten vandaag in Nature Physics zien dat bepaalde afwijkingen in het rooster van mechanische metamaterialen kunnen leiden tot topologisch beschermde excitaties in het rooster. Dit vormt het mechanische equivalent van de al langer bekende topologische beschermde toestanden in elektronische systemen, zoals topologische isolatoren. Het onderzoek maakt de weg vrij voor het ontwerp van mechanische nanostructuren en voor robuuste informatieopslag.
Onderzoekers Vincenzo Vitelli, Jayson Paulose en Bryan Gin-ge Che bouwden een demonstratiemodel van een zogeheten Kagomerooster, vernoemd naar een bekend Japans patroon op geweven bamboe mandjes. Het bestaat uit regelmatige zeshoeken, afgewisseld met driehoeken.
Het demonstratiemodel dat de onderzoekers in het laboratorium maakten, bestaat uit driehoeken, die met bewegende scharniertjes op elk van de drie hoeken met elkaar verbonden zijn. Vervolgens manipuleerden de onderzoekers de verbindingen tussen de driehoeken. De vervormingen die zo ontstonden, bleken zich op twee manieren te kunnen gedragen. In het ene geval bleef het rooster net zo stijf als zonder de vervorming, en in het andere geval ontstond er een klein, gelokaliseerd gebiedje waarin beweging mogelijk was.
Om de achterliggende theorie te testen, voerden de onderzoekers computersimulaties uit van vervormde Kagomeroosters en van vergelijkbare vervormingen in een eenvoudiger, rechthoekig rooster.
Het gecontroleerd aanbrengen van topologisch beschermde roosterdefecten biedt volgens Vitelli en collega's mogelijkheden voor de ontwikkeling van mechanische nanostructuren voor bijvoorbeeld moleculaire robotjes. Ook biedt het onderzoek nieuwe mogelijkheden voor robuuste opslag van informatie. Bits krijgen dan de vorm van een aanwezig (een) of afwezig (nul) beschermde topologische toestand in het rooster.
Het onderzoek vond plaats in het onlangs geopende Topological Mechanics Lab (Leiden), opgericht door Vincenzo Vitelli. Het is onderdeel van een nieuw onderzoeksprogramma waarin onderzoekers het mechanische equivalent van topologische quantummaterialen bestuderen, zowel in theorie als in de praktijk. FOM en Delta ITP (NWO & OCW) financierden het onderzoek.
Meer weten? Bekijk hier filmpjes over dit onderwerp.
VOOR DE REDACTIE/NIET VOOR PUBLICATIE
Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Physics: Topological modes bound to dislocations in mechanical metamaterials, Jayson Paulose, Bryab Gin-ge en Vincenzo Vitelli.
AOP on Nature Physics's website at 1600 London time / 1100 US Eastern Time on 19 January 2015. DOI: 10.1038/nphys3185.
Contact
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met Vincenzo Vitelli, 31 (0)6 81 06 55 90.