Posted in | Nanomaterials

מדענים מצא סימטריה טופולוגיים חדש Metamaterials

Published on December 21, 2010 at 1:23 AM

מביוס סימטריה, התופעה טופולוגי כי תשואות רצועה חצי מעוות עם שני משטחים, אבל רק צד אחד, היוותה מקור משיכה מאז גילויו בשנת 1858 על ידי המתמטיקאי הגרמני אוגוסט מביוס.

כאמן MC Escher הפגינו כך בבהירות שלו "מצעד של נמלים," אפשר לעבור את "בתוך" ו - "בחוץ" משטחי רצועת מביוס בלי לעבור דרך מעבר לקצה. במשך שנים, מדענים כבר מחפש דוגמה סימטריה מביוס בחומרים טבעיים ללא הצלחה. עכשיו צוות של מדענים גילה סימטריה מביוס ב metamaterials - חומרים מהונדסים "אטומים" מלאכותית "מולקולות" בעלי תכונות אלקטרומגנטיות הנובעות המבנה שלהם ולא ההרכב הכימי שלהם.

חוקר ברקלי גילו סימטריה מביוס ב trimers metamolecular העשויים מתכות דיאלקטריים.

שיאנג ג'אנג, מדען עם משרד החוץ האמריקני לורנס אנרגיה ברקלי המעבדה הלאומית (ברקלי) ופרופסור באוניברסיטת קליפורניה (UC) בברקלי, הוביל מחקר בו סימטריה מביוס אלקטרומגנטית הוצג בהצלחה לתוך מערכות metamolecular מרוכבים עשויים ממתכות ו דיאלקטריים. תגלית זו פותחת את הדלת כדי למצוא ולנצל תופעות הרומן metamaterials.

"יש לנו נצפתה בניסוי סימטריה טופולוגי חדש במערכות metamaterial האלקטרומגנטי שווה הסימטריה המבנית של רצועת מביוס, עם מספר פיתולים נשלט על ידי שינויים התחבר צימוד אלקטרומגנטי בין meta-אטומים", אמר זאנג. "אנחנו הוכיחו עוד כי metamaterials עם סימנים צימוד שונה התערוכה תדרים תהודה אשר תלויים במספר, אך לא את מיקומם של פיתולים. זו מאשרת את אופי טופולוגי של הסימטריה".

עבודה עם מתכתי מהדהד, אטומים meta מוגדר בתור פיצול טבעת תהודה משולבת, ז'אנג וחברי קבוצת המחקר שלו התכנסו שלושת אלה meta-אטומים לתוך trimers. באמצעות תכנון זהיר של הזיווגים אלקטרומגנטית בין meta-האטומים המרכיבים, trimers אלה מוצגים מביוס C3 סימטריה - כלומר מביוס סימטריה מחזורית דרך שלושה סיבובים של 120 מעלות. פיתולים מביוס כתוצאה משינוי הסימנים הקבועים צימוד אלקטרומגנטי בין meta-האטומים המרכיבים.

"הסימטריה טופולוגי מביוס שמצאנו trimers meta-מולקולה שלנו היא סימטריה חדש לא נמצא באופן טבעי חומרים או מולקולות." זאנג. "מאז קבועי צימוד של metamolecules ניתן לשנות באופן שרירותי מן חיובית שלילית ללא כל מגבלות, מספר הפיתולים מביוס נוכל להציג הן בלתי מוגבלות. משמעות הדבר היא כי מבנה טופולוגי כי עד כה רק בדמיון מתמטיים יכולים להתממש באמצעות metamolecules של עיצובים שונים. "

פרטים על הגילוי הזה פורסמו בכתב העת המדעי Physical Review Letters, במאמר שכותרתו "אופטי סימטריה מביוס ב Metamaterials". Co-authoring את הנייר עם ג'אנג וויי היו Chih-צ'אנג, ליו מינג, Sunghyun נאם, Shuang ג'אנג, ליו Yongmin וגיא ברטל.

שיאנג זאנג הוא החוקר הראשי עם חומרים של ברקלי למדעי חטיבת ס ארנסט Kuh נתרמו בראשות פרופסור באוניברסיטת ברקלי, שם הוא מנהל את המרכז Nanomanufacturing מדרגיים משולב (SINAM), קרן המדע הלאומית בקנה מידה ננו מדע והנדסה מרכז .

במדע, סימטריה מוגדרת כתכונה של מערכת או רכוש אשר נשמר כאשר המערכת עוברת שינוי. זהו אחד המושגים הבסיסיים ביותר מכריע בתחומי המדע, בבסיס תופעות פיסיקליות כגון חוקי שימור הכללים הקובעים את מבחר המעבר של המערכת ממצב אחד למשנהו. סימטריה גם מכתיב תגובות כימיות וכוננים מספר כלים מדעיים חשובים, כולל קריסטלוגרפיה וספקטרוסקופיה.

בעוד כמה סימטריות, כגון הגיאומטריות מרחבית, הם נצפו בקלות, אחרים, כגון סימטריות אופטי, עשוי להיות מוסתר. כלי רב עוצמה עבור תחקיר חשיפת הסימטריות הנסתרת היא תופעה כללית המכונה "התנוונות". לדוגמה, רמת האנרגיה הניוון של אטום בגביש הוא בקורלציה עם הסימטריה קריסטל. מערכת של שלושה הגוף, כמו trimer, יכול להיות יעיל במיוחד לחקר הקשר בין הניוון וסימטריה כי, למרות שזו מערכת פשוטה יחסית, הוא חושף מגוון עשיר של תופעות.

"את המאפיינים הייחודיים של מערכת שלוש גוף לעשות חקירות ניסיוני של הסימטריות הנסתרת אפשרי", אומרת צ'ין, צ'אנג וויי, לשעבר שלאחר doc בקבוצה של זאנג המחבר הראשי של המאמר ב Physical Review Letters, אומר. "מסוקרן הגמישות הנדסי יוצא דופן של metamaterials, החלטנו לבדוק כמה לא טריוויאלי הסימטריות הנסתרת מתחת metamolecules אלה על ידי לימוד מאפייני הניוון שלהם"

החוקרים בדקו metamaterials שלהם סימטריה מוסתרים על ידי זוהר אור וניטור תהודות אופטי. תדר תהודה וכתוצאה מכך עולה כי הניוון נשמר גם כאשר קבועי צימוד בין meta-אטומים סימני היפוך.

"בגלל הניוון וסימטריה מתואמים תמיד, בטח יש סימטריה חבוי מתחת הניוון הנצפה", אומר צ'אנג.

החוקרים הראו כי בעוד מערכות trimer עם מדים (או חיובי) סימנים שליליים צימוד יכול להיות סימלה כמו משולש שווה צלעות, מערכות trimer עם סימנים מעורבים של הזיווגים יכול להיות רק סימל כמו רצועת מביוס עם סימטריה C3 טופולוגי. יתר על כן, במערכות metamolecular אחרים עשויים שש meta-אטומים, החוקרים הדגימו עד שלושה פיתולים מביוס.

אומר צ'אנג, עכשיו חבר סגל בבית הלאומי אוניברסיטת טייוואן טייפה, "כשאני הולך ממערכות טבעית מלאכותית אטומים meta ו metamolecules, אנו יכולים לצפות להיתקל בתופעות הרבה מעבר תפיסות קונבנציונליות שלנו. הסימטריות חדש שאנו מוצאים metamaterials יכול להתארך על סוגים אחרים של מערכות מלאכותיות, כגון יוספסון צמתים, כי יהיה לפתוח אפיקים חדשים עבור תופעות הרומן הקוונטים האלקטרוניקה האופטיקה הקוונטית. "

מקור: http://www.lbl.gov/

Last Update: 5. October 2011 19:23

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit