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Posted in | Nanomaterials

Los Científicos Encuentran Nueva Simetría Topológica en Metamaterials

Published on December 21, 2010 at 1:23 AM

La simetría de Möbius, el fenómeno topológico que rinde una cinta mitad-torcida con dos superficies solamente solamente una cara, ha sido una fuente de la fascinación desde su descubrimiento en 1858 por el matemático Alemán Agosto Möbius.

Como artista M.C. Escher demostrado tan vivo en su “revista de tropas de hormigas,” es posible atravesar las superficies del “interior” y del “exterior” de una cinta de Möbius sin cruzar sobre un borde. Por años, los científicos han estado explorando para un ejemplo de la simetría de Möbius en materiales naturales sin ningún éxito. Ahora las personas de científicos han descubierto la simetría de Möbius en los metamaterials - materiales dirigidos de los “átomos artificiales” y de las “moléculas” con las propiedades electromágneticas que se presentan de su estructura bastante que su composición química.

El investigador del Laboratorio de Berkeley ha descubierto la simetría de Möbius en los trímeros metamolecular hechos de los metales y de los dieléctricos.

Xiang Zhang, científico con el Ministerio de los E.E.U.U. de Laboratorio Nacional de Lorenzo Berkeley de la Energía (Laboratorio de Berkeley) y profesor en la Universidad de California (UC) Berkeley, llevó un estudio en el cual la simetría electromágnetica de Möbius fue introducida con éxito en los sistemas metamolecular compuestos hechos de los metales y de los dieléctricos. Este descubrimiento abre la puerta en encontrar y explotar fenómenos nuevos en metamaterials.

“Hemos observado experimental una nueva simetría topológica en sistemas metamaterial electromágneticos que es equivalente a la simetría estructural de una cinta de Möbius, con el número de torceduras controladas por los cambios del señal en el acoplamiento electromágnetico entre los meta-átomos,” Zhang dice. “Hemos demostrado más lejos que los metamaterials con diversos señales del acoplamiento exhiben las frecuencias de la resonancia que dependen del número pero no de las ubicaciones de las torceduras. Esto confirma la naturaleza topológica de la simetría.”

Trabajando con los meta-átomos resonantes metálicos configurados como resonadores acoplados del hendidura-anillo, Zhang y las piezas de su grupo de investigación ensamblaron tres de estos meta-átomos en los trímeros. Con el diseño cuidadoso de los acoplamientos electromágneticos entre los meta-átomos constitutivos, estos trímeros visualizaron la simetría de Möbius C3 - significar la simetría cíclica de Möbius con tres rotaciones de 120 grados. El Möbius tuerce resultado de un cambio en los señales de los constantes electromágneticos del acoplamiento entre los meta-átomos constitutivos.

“La simetría topológica de Möbius que encontramos en nuestros trímeros de la meta-molécula es una nueva simetría no encontrada en materiales o moléculas naturales.” Zhang dice. “Puesto Que los constantes del acoplamiento de metamolecules se pueden variar arbitrariamente de positivo a la negativa sin ningunos apremios, el número de torceduras de Möbius que podemos introducir es ilimitado. Esto significa que las estructuras topológicas que hasta el momento se han limitado a la imaginación matemática se pueden ahora observar usando los metamolecules de diversos diseños.”

Han publicado a los Detalles en este descubrimiento en las Cartas Físicas de la Revista del gorrón, en un papel titulado “Simetría Óptica de Möbius en Metamaterials.” Co-Siendo autor del papel con Zhang eran Chih-Wei Chang, Ming Liu, Sunghyun Nam, Shuang Zhang, Yongmin Liu y Tirante Bartal.

Xiang Zhang es investigador principal con la División de las Ciencias Materiales del Laboratorio de Berkeley y el Profesor Presidido de Ernesto S. Kuh Endowed en Uc Berkeley, donde él dirige el Centro para NanoManufacturing Escalable e Integrado (SINAM), una Ciencia de la Nano-Escala del National Science Foundation y un Centro de la Ingeniería.

En ciencia, la simetría se define como una característica o propiedad de sistema se preserve que cuando el sistema experimenta un cambio. Éste es uno de los conceptos más fundamentales y más cruciales de la ciencia, apuntalando los fenómenos físicos tales como las leyes de protección y las reglas de selección que regulan la transición de un sistema a partir de un estado a otro. La Simetría también dicta reacciones químicas e impulsa varias herramientas científicas importantes, incluyendo la cristalografía y la espectroscopia.

Mientras Que algunas simetrías, tales como geometrías espaciales, se observan fácilmente, otras, tales como simetrías ópticas, pueden ser ocultadas. Una herramienta investigador potente para destapar simetrías ocultadas es un fenómeno general conocido como “degeneración.” Por ejemplo, la degeneración del nivel de energía de un átomo en un cristal se correlaciona con la simetría cristalina. Un sistema del tres-cuerpo, como un trímero, puede ser especialmente efectivo para estudiar la correlación entre la degeneración y la simetría porque, aunque sea un sistema relativamente simple, revela un espectro rico de fenómenos.

“Las propiedades únicas de un sistema del tres-cuerpo hacen investigaciones experimentales de simetrías ocultadas posibles,” dice a Chih-Wei Chang, un poste-doc. anterior en el grupo de Zhang y el autor importante del papel en Cartas Físicas de la Revista, dice. “Intrigó por las adaptabilidades extraordinarias de la ingeniería de metamaterials, nosotros decidía investigar algunas simetrías no triviales ocultadas debajo de estos metamolecules estudiando sus propiedades de la degeneración”

Los autores probaron sus metamaterials para la simetría ocultada brillando una luz y vigilando las resonancias ópticas. Las frecuencias resonantes resultantes revelaron que la degeneración está guardada incluso cuando los constantes del acoplamiento entre los meta-átomos mueven de un tirón señales.

“Porque la degeneración y la simetría se correlacionan siempre, debe haber una cierta simetría ocultada debajo de la degeneración observada” dice a Chang.

Los investigadores mostraron que mientras que los sistemas del trímero con (o el positivo) los señales negativos uniformes del acoplamiento se podrían simbolizar como triángulo equilátero, los sistemas del trímero con los señales mezclados de acoplamientos se podrían simbolizar solamente como cinta de Möbius con la simetría topológica C3. Además, en otros sistemas metamolecular hechos de seis meta-átomos, los autores demostraron hasta tres torceduras de Möbius.

Dice a Chang, ahora miembro del profesorado en la Universidad de Taiwán Nacional en Taipei, “Al ir de sistemas naturales a los meta-átomos y a los metamolecules artificiales, nosotros puede preveer encontrar fenómenos mucho más alla de nuestros conceptos convencionales. Las nuevas simetrías que encontramos en metamaterials se podrían ampliar a otras clases de sistemas artificiales, tales como uniones de Josephson, que abrirán las nuevas avenidas para los fenómenos nuevos en electrónica del quantum y las ópticas del quantum.”

Fuente: http://www.lbl.gov/

Last Update: 11. January 2012 15:19

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