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Wissenschaftler finden neue topologische Symmetrie in Metamaterialien

Published on December 21, 2010 at 1:23 AM

Möbius Symmetrie, die topologische Phänomen, dass ein halbes twisted Streifen mit zwei Oberflächen, sondern nur die eine Seite liefert, ist eine Quelle der Faszination seit seiner Entdeckung im Jahre 1858 von dem deutschen Mathematiker August Möbius wurde.

Als Künstler MC Escher so lebhaft in seinem Beweis "Parade der Ameisen" ist es möglich, die "innen" und "außen" Oberflächen eines Möbius-Band, ohne Überquerung einer Kante durchqueren. Seit Jahren haben die Wissenschaftler ein Beispiel für Möbius Symmetrie in natürlichen Materialien gesucht, ohne Erfolg. Materialien aus künstlichen "Atomen" und "Moleküle" mit elektromagnetischen Eigenschaften, die von ihrer Struktur eher als ihre chemische Zusammensetzung entstehen konstruiert - Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern hat Möbius Symmetrie in Metamaterialien entdeckt.

Berkeley Lab-Forscher haben Möbius Symmetrie in metamolecular Trimere aus Metallen und Dielektrika gemacht entdeckt.

Xiang Zhang, ein Wissenschaftler mit dem US Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und Professor an der University of California (UC) Berkeley, führte eine Studie, in der elektromagnetischen Möbius Symmetrie erfolgreich in Composite metamolecular Systeme eingeführt wurde aus Metallen und Dielektrika. Diese Entdeckung öffnet die Tür zu finden und zu nutzen neuartiger Phänomene in Metamaterialien.

"Wir haben experimentell eine neue topologische Symmetrie der elektromagnetischen Metamaterialien Systeme, die äquivalent zu den strukturellen Symmetrie eines Möbius-Band ist zu beobachten, wobei die Anzahl der Drehungen durch Vorzeichenwechsel in der elektromagnetischen Kopplung zwischen den Meta-Atome kontrolliert werden", sagt Zhang. "Wir haben weiter gezeigt, dass Metamaterialien mit unterschiedlichen Kopplung Zeichen Resonanzfrequenzen, die auf die Anzahl, nicht aber die Standorte der Drehungen abhängig aufweisen. Dies bestätigt die topologische Natur der Symmetrie."

Arbeiten mit metallischen resonant Meta-Atome als gekoppelte Split-Ring-Resonatoren, Zhang und die Mitglieder seiner Arbeitsgruppe konfiguriert montiert drei dieser Meta-Atome in Trimere. Bedeutung Möbius zyklischen Symmetrie durch drei Drehungen von 120 Grad - durch sorgfältige Gestaltung des elektromagnetischen Kopplungen zwischen den konstituierenden Meta-Atome, diese Trimere Möbius C3-Symmetrie angezeigt. Die Möbius Wendungen ergeben sich aus einer Änderung in der Beschilderung des elektromagnetischen Kopplungen zwischen den konstituierenden Meta-Atome.

"Die topologische Möbius Symmetrie wir in unserer Meta-Molekül Trimere gefunden wird eine neue Symmetrie nicht in natürlich vorkommenden Materialien oder Moleküle gefunden." Zhang sagt. "Da die Kopplungskonstanten metamolecules können beliebig von positiv auf negativ ohne Einschränkungen verändert werden, die Zahl der Möbius Wendungen können wir einführen, sind unbegrenzt. Dies bedeutet, dass topologischen Strukturen, die bisher auf mathematische Phantasie begrenzt nun realisiert mit metamolecules werden von verschiedenen Designs. "

Details zu dieser Entdeckung wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht worden, in einem Papier mit dem Titel "Optische Möbius Symmetry in Metamaterialien." Co-Authoring das Papier mit Zhang wurden Chih-Wei Chang, Ming Liu, Sunghyun Nam, Shuang Zhang, Yongmin Liu und Guy Bartal.

Xiang Zhang ist ein Principal Investigator mit Berkeley Lab Materials Sciences Division und der Ernest S. Kuh Stiftungsprofessur Vorsitz Professor an der UC Berkeley, wo er leitet das Zentrum für skalierbare und integrierte Nanomanufacturing (Sinam), ein National Science Foundation Nano-Maßstab Science and Engineering Center .

In der Wissenschaft wird Symmetrie als ein System Funktion oder Eigenschaft, wenn das System eine Änderung erfährt, ist definiert. Dies ist eines der wichtigsten und grundlegenden Konzepte in der Wissenschaft, auf denen solche physikalische Phänomene wie die Erhaltungssätze und Auswahlregeln, dass der Übergang von einem System zu regieren von einem Zustand zum anderen. Symmetry bestimmt auch chemische Reaktionen und treibt eine Reihe von wichtigen wissenschaftlichen Werkzeugen, einschließlich der Kristallographie und Spektroskopie.

Während einige Symmetrien, wie räumliche Geometrien problemlos eingehalten werden, können andere, wie z. B. optische Symmetrien, ausgeblendet werden. Ein leistungsfähiges Werkzeug investigative um versteckte Symmetrien ist ein allgemeines Phänomen bekannt als "Entartung". Zum Beispiel ist das Energieniveau Entartung eines Atoms in einem Kristall mit der Kristallsymmetrie korreliert. Ein Drei-Körper-System, wie ein Trimer, kann besonders effektiv für die Untersuchung der Korrelation zwischen Entartung und Symmetrie, denn obwohl es ein relativ einfaches System ist, ist es ein reiches Spektrum von Phänomenen offenbart.

"Die einzigartigen Eigenschaften eines Drei-Körper-System zu machen experimentelle Untersuchungen von versteckten Symmetrien möglich", sagt Chih-Wei Chang, ein ehemaliger Post-doc in Zhang-Gruppe und der führende Autor des Papiers in Physical Review Letters, sagt sie. "Fasziniert von der außergewöhnlichen Technik Flexibilitäten von Metamaterialien, beschlossen wir, einige nicht-triviale Symmetrien unter diesen metamolecules durch das Studium ihrer Entartung Eigenschaften verborgen zu untersuchen"

Die Autoren testeten ihre Metamaterialien für versteckte Symmetrie scheint eine leichte und Überwachung der optischen Resonanzen. Die daraus resultierende Resonanzfrequenzen ergeben, dass Entartung gehalten wird, auch wenn die Kopplungskonstanten zwischen Meta-Atome Flip Zeichen.

"Weil Entartung und Symmetrie immer korreliert sind, muss es gewisse Symmetrie unter den beobachteten Entartung versteckt werden", sagt Chang.

Die Forscher zeigten, dass während Trimer Systeme mit einheitlichen negativ (oder positiv) Kopplung Zeichen als einem gleichseitigen Dreieck symbolisiert werden könnte, Trimer-Systeme mit gemischten Zeichen der Kupplungen konnte nur als ein Möbiusband mit topologischen C3-Symmetrie symbolisiert werden. Darüber hinaus in anderen metamolecular Systeme von sechs meta-Atomen, zeigten die Autoren bis zu drei Möbius Wendungen.

, Sagt Chang, jetzt ein Mitglied der Fakultät an der National Taiwan University in Taipei, "Wenn Sie von natürlichen Systemen zur künstlichen Meta-Atome und metamolecules, können wir erwarten, dass Phänomene weit jenseits unserer herkömmlichen Vorstellungen zu begegnen. Der neue Symmetrien finden wir in Metamaterialien verlängert werden könnte auf andere Arten von künstlichen Systemen, wie z. B. Josephson-Kontakten, die neue Wege für neuartige Phänomene in der Quantenelektronik und Quantenoptik wird geöffnet. "

Quelle: http://www.lbl.gov/

Last Update: 5. October 2011 19:23

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