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Les scientifiques Trouver Nouvelle Symétrie topologiques en métamatériaux

Published on December 21, 2010 at 1:23 AM

Möbius symétrie, le phénomène topologique qui donne une bande demi-torsion avec deux surfaces, mais d'un seul côté, a été une source de fascination depuis sa découverte en 1858 par le mathématicien allemand Möbius Août.

Comme artiste MC Escher si vivement démontré dans son "défilé de fourmis», il est possible de traverser le «dedans» et «extérieur» des surfaces d'un ruban de Möbius sans traverser sur une arête. Pendant des années, les scientifiques ont été la recherche d'un exemple de symétrie de Möbius en matériaux naturels, sans aucun succès. Maintenant, une équipe de scientifiques a découvert une symétrie de Möbius en métamatériaux - des matériaux artificiels conçus à partir des «atomes» et «molécules» avec les propriétés électromagnétiques qui découlent de leur structure plutôt que de leur composition chimique.

Berkeley Lab chercheur ont découvert une symétrie de Möbius en trimères metamolecular fabriqués à partir de métaux et diélectriques.

Xiang Zhang, un scientifique avec le département américain de l'Énergie Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et professeur à l'Université de Californie (UC) à Berkeley, a mené une étude dans laquelle électromagnétiques Möbius symétrie était introduit avec succès dans des systèmes composites metamolecular fabriqués à partir de métaux et diélectriques. Cette découverte ouvre la porte pour trouver et exploiter les nouveaux phénomènes dans les métamatériaux.

«Nous avons observé expérimentalement une nouvelle symétrie topologique dans les systèmes électromagnétiques métamatériau qui est équivalent à la symétrie structurelle d'un ruban de Möbius, avec le nombre de torsions contrôlé par changements de signe dans le couplage électromagnétique entre les atomes de méta-», dit Zhang. «Nous avons également démontré que les métamatériaux avec des signes de couplage différents présentent des fréquences de résonance qui dépendent du nombre, mais pas les emplacements des rebondissements. Ceci confirme le caractère topologique de la symétrie."

Travailler avec métalliques résonants méta-atomes configuré comme couplé split-ring résonateurs, Zhang et des membres de son groupe de recherche réuni trois de ces atomes dans la méta-trimères. Grâce à une conception minutieuse des couplages électromagnétiques entre les constituants méta-atomes, ces trimères affiché Möbius C3 symétrie - signifie Möbius cyclique symétrie par trois rotations de 120 degrés. Le résultat de Möbius rebondissements d'un changement dans les signes des constantes de couplage électromagnétique entre les constituants méta-atomes.

«La symétrie topologique de Möbius, nous avons trouvé dans notre méta-molécule trimères est une nouvelle symétrie ne trouve pas dans les matériaux naturels ou de molécules." Dit Zhang. «Depuis les constantes de couplage des metamolecules peut être arbitrairement variées du positif au négatif, sans contraintes, le nombre de torsions Möbius nous pouvons introduire sont illimitées. Cela signifie que les structures topologiques qui ont été jusqu'ici limité à l'imagination mathématique peut maintenant être réalisé en utilisant metamolecules des conceptions différentes. "

Détails sur cette découverte ont été publiés dans les Lettres de la revue Physical Review, dans un document intitulé «symétrie optique de Möbius en métamatériaux". Co-auteur du papier avec Zhang ont été Chih-Wei Chang Ming Liu, Sunghyun Nam, Shuang Zhang, Liu Yongmin et Guy Bartal.

Xiang Zhang est chercheur principal à la Division de Berkeley Lab Sciences des Matériaux et de l'Ernest S. Kuh Doté Présidé Professeur à l'Université de Berkeley, où il dirige le Centre pour la nanofabrication évolutive et intégrée (SINAM), la National Science Foundation à l'échelle nanométrique Science and Engineering Center .

En science, la symétrie est définie comme une caractéristique du système ou des biens qui sont conservées lorsque le système subit un changement. C'est l'un des concepts les plus fondamentaux et essentiels de la science, qui sous-tendent ces phénomènes physiques que les lois de conservation et des règles de sélection qui régissent la transition d'un système d'un état à un autre. Symétrie dicte également les réactions chimiques et conduit un nombre important de d'outils scientifiques, y compris la cristallographie et la spectroscopie.

Alors que certaines symétries, comme les géométries spatiales, sont faciles à observer, d'autres, comme symétries optique, peut être caché. Un puissant outil d'enquête pour découvrir symétries cachées est un phénomène général connu sous le nom «dégénérescence». Par exemple, la dégénérescence niveau d'énergie d'un atome dans un cristal est corrélée avec la symétrie du cristal. Un système à trois corps, comme un trimère, peut être particulièrement efficace pour étudier la corrélation entre la dégénérescence et la symétrie, car, bien qu'il soit un système relativement simple, il révèle un riche éventail de phénomènes.

"Les propriétés uniques d'un système à trois corps font des recherches expérimentales de symétries cachées possible», affirme Chih-Wei Chang, un ancien post-doc dans le groupe de Zhang et l'auteur principal de l'article dans Physical Review Letters, dit. »Intrigué par les flexibilités techniques extraordinaires des métamatériaux, nous avons décidé d'enquêter sur certaines symétries non-triviales cachés sous ces metamolecules en étudiant leurs propriétés dégénérescence»

Les auteurs ont testé leur métamatériaux pour la symétrie cachée par une lumière et le suivi des résonances optiques. Les fréquences de résonance résultant révélé que la dégénérescence est maintenue même lorsque les constantes de couplage entre les méta-atomes signes flip.

«Parce que la dégénérescence et la symétrie sont toujours corrélées, il doit y avoir une certaine symétrie cachés sous la dégénérescence observée», explique Chang.

Les chercheurs ont montré que, tandis que les systèmes de trimère avec l'uniforme des signes négatifs de couplage (ou positive) pourrait être symbolisée par un triangle équilatéral, les systèmes mixtes avec des signes trimère d'accouplements ne pouvait être symbolisé par un ruban de Möbius avec une symétrie C3 topologique. Par ailleurs, dans d'autres systèmes metamolecular composé de six méta-atomes, les auteurs ont démontré jusqu'à trois tours de Möbius.

Explique Chang, aujourd'hui membre du corps professoral de l'Université nationale de Taiwan à Taipei, «Quand va des systèmes naturels à artificielles méta-atomes et metamolecules, nous pouvons nous attendre à rencontrer des phénomènes au-delà de nos conceptions traditionnelles. Les symétries nouvelles que nous trouvons dans des métamatériaux pourrait être étendu à d'autres types de systèmes artificiels, tels que jonctions Josephson, qui va ouvrir de nouvelles avenues pour des phénomènes nouveaux dans l'électronique quantique et l'optique quantique. "

Source: http://www.lbl.gov/

Last Update: 7. October 2011 07:01

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