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Gli scienziati Trova nuova simmetria topologica in metamateriali

Published on December 21, 2010 at 1:23 AM

Möbius simmetria, il fenomeno topologica che produce un mezzo contorto striscia con due superfici, ma solo da un lato, è stata fonte di fascino dalla sua scoperta nel 1858 dal matematico tedesco agosto Möbius.

Come artista MC Escher così chiaramente dimostrato nella sua "parata di formiche", è possibile attraversare il "dentro" e "fuori" superfici di un nastro di Möbius senza attraversare su un bordo. Per anni, gli scienziati hanno cercato per un esempio di simmetria Möbius in materiali naturali, senza alcun successo. Ora un team di scienziati ha scoperto simmetria Möbius in metamateriali - materiali ingegnerizzati da artificiale "atomi" e "molecole" con proprietà elettromagnetiche che derivano dalla loro struttura piuttosto che la loro composizione chimica.

Ricercatore di Berkeley Lab hanno scoperto simmetria Möbius in trimeri metamolecular in metalli e dielettrici.

Xiang Zhang, uno scienziato con il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti di Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e professore presso la University of California (UC) Berkeley, ha condotto uno studio in cui elettromagnetiche simmetria Möbius è stata introdotta con successo in composito sistemi metamolecular in metalli e dielettrici. Questa scoperta apre le porte a trovare e sfruttare nuovi fenomeni in metamateriali.

"Abbiamo osservato sperimentalmente una simmetria nuovo topologici in sistemi elettromagnetici metamateriale che è equivalente alla simmetria strutturale di un nastro di Möbius, con il numero di colpi di scena controllato da cambiamenti di segno nella accoppiamento elettromagnetico tra i meta-atomi", dice Zhang. "Abbiamo inoltre dimostrato che i metamateriali con segni di accoppiamento differenti mostrano frequenze di risonanza che dipendono dal numero, ma non le posizioni dei colpi di scena. Ciò conferma la natura topologica della simmetria".

Lavorare con metallico resonant meta-atomi configurato come accoppiata split-anello di risonatori, Zhang ei membri del suo gruppo di ricerca assemblati tre di questi meta-atomi in trimeri. Attraverso un'attenta progettazione degli accoppiamenti elettromagnetici tra i costituenti meta-atomi, questi trimeri visualizzati Möbius C3 simmetria - che significa Möbius simmetria ciclica attraverso tre rotazioni di 120 gradi. Il risultato Möbius colpi di scena da un cambiamento nei segni delle costanti di accoppiamento elettromagnetico tra i costituenti meta-atomi.

"La simmetria topologica Möbius abbiamo trovato nella nostra meta-molecola trimeri è una nuova simmetria non si trovano in natura materiale o molecole." Zhang dice. "Dal momento che le costanti di accoppiamento di metamolecules può essere arbitrariamente variato da positivo a negativo, senza alcun vincolo, il numero di colpi di scena Möbius possiamo introdurre sono illimitate. Ciò significa che le strutture topologiche che sono state finora limitate alla fantasia matematica possono ora essere realizzati utilizzando metamolecules di modello diverso. "

Dettagli su questa scoperta sono stati pubblicati nella rivista Physical Review Letters, in un articolo intitolato "La simmetria ottica Möbius in metamateriali". Co-autore del Libro con Zhang erano Chih-Wei Chang, Liu Ming, Sunghyun Nam, Zhang Shuang, Yongmin Liu e Guy Bartal.

Xiang Zhang è un ricercatore principale con Berkeley Lab Materials Sciences Division e Ernest S. Kuh Dotato Presieduta professore all'Università di Berkeley, dove dirige il Centro per nanofabbricazione scalabile e integrata (SINAM), il National Science Foundation nano-scala Science and Engineering Center .

Nella scienza, la simmetria è definita come una caratteristica del sistema o una proprietà che si conserva quando il sistema subisce un cambiamento. Questo è uno dei concetti più importanti e cruciali nella scienza, alla base del fenomeno fisico come le leggi di conservazione e regole di selezione che governano la transizione di un sistema da uno stato all'altro. Simmetria detta anche le reazioni chimiche e le unità una serie di importanti strumenti scientifici, tra cui cristallografia e la spettroscopia.

Mentre alcune simmetrie, come geometrie spaziali, sono facilmente osservabili, altri, come simmetrie ottiche, può essere nascosto. Un potente strumento di indagine per scoprire simmetrie nascoste è un fenomeno generale, noto come "degenerazione". Per esempio, la degenerazione livello di energia di un atomo in un cristallo è correlato con la simmetria del cristallo. Un sistema di tre corpi, come un trimero, può essere particolarmente efficace per studiare la correlazione tra degenerazione e la simmetria, perché, anche se è un sistema relativamente semplice, si rivela un ricco spettro di fenomeni.

"Le proprietà uniche di un sistema di tre corpi fanno indagini sperimentali di simmetrie nascoste possibile", dice Chih-Wei Chang, ex post-doc nel gruppo di Zhang e l'autore principale dello studio su Physical Review Letters, dice. "Incuriosito dalla straordinaria flessibilità di ingegneria dei metamateriali, abbiamo deciso di indagare alcuni non banali simmetrie nascoste sotto questi metamolecules, studiando le loro proprietà degenerazione"

Gli autori hanno testato la loro metamateriali per la simmetria nascosta da una luce splendente e monitorare le risonanze ottiche. Le frequenze di risonanza risultante ha rivelato che la degenerazione è mantenuta anche quando le costanti di accoppiamento tra meta-atomi segni flip.

"A causa degenerazione e simmetria sono sempre correlati, ci deve essere qualche simmetria nascosta sotto la degenerazione osservato", spiega Chang.

I ricercatori hanno dimostrato che mentre i sistemi trimero con uniformi negativa (o positiva) i segni di accoppiamento potrebbe essere simboleggiato come un triangolo equilatero, i sistemi di trimero con segni misti di giunti poteva essere simboleggiato da un nastro di Möbius con simmetria C3 topologica. Inoltre, in altri sistemi metamolecular fatta di sei meta-atomi, gli autori hanno dimostrato fino a tre colpi di Möbius.

Dice Chang, ora membro della facoltà della National Taiwan University di Taipei, "Quando si passa da sistemi naturali a artificiali meta-atomi e metamolecules, possiamo aspettarci di incontrare fenomeni ben oltre le nostre concezioni convenzionali. Nuove simmetrie che troviamo in metamateriali potrebbe essere esteso ad altri tipi di sistemi artificiali, come giunzioni Josephson, che aprirà nuove strade per i fenomeni romanzo in elettronica quantistica e dell'ottica quantistica. "

Fonte: http://www.lbl.gov/

Last Update: 3. October 2011 02:36

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