Site Sponsors
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
Posted in | Nanomaterials

Forskere Finn Nye Topologiske Symmetry i Metamaterials

Published on December 21, 2010 at 1:23 AM

Möbius symmetri, den topologiske fenomen som gir en halv vridd stripe med to flater, men bare den ene siden, har vært en kilde til fascinasjon siden den ble oppdaget i 1858 av den tyske matematiker august Möbius.

Som artist MC Escher så livaktig demonstrerte i sin "parade av maur," det er mulig å krysse "inne" og "utenfor" flater av et Möbius bånd uten å krysse over en kant. I årevis har forskere vært på leting etter et eksempel på Möbius symmetri i naturlige materialer uten å lykkes. Nå har et team av forskere har oppdaget Möbius symmetri i metamaterials - materialer konstruert fra kunstig "atomer" og "molekyler" med elektromagnetiske egenskaper som oppstår fra deres struktur snarere enn deres kjemiske sammensetning.

Berkeley Lab forsker har oppdaget Möbius symmetri i metamolecular trimers laget av metaller og dielektrika.

Xiang Zhang, en vitenskapsmann med det amerikanske Department of Energy er Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og professor ved University of California (UC) Berkeley, ledet en studie hvor elektromagnetisk Möbius symmetri ble introdusert med hell i sammensatte metamolecular systemer laget av metaller og dielektrika. Denne oppdagelsen åpner døren til å finne og utnytte nye fenomener i metamaterials.

"Vi har eksperimentelt observert en ny topologisk symmetri i elektromagnetiske metamaterial systemer som tilsvarer den strukturelle symmetrien av en Möbius bånd, med antall vendinger kontrollert av logger endringer i elektromagnetisk kopling mellom meta-atomer," Zhang sier. "Vi har videre vist at metamaterials med ulike kobling skilt utstillingen resonansfrekvenser som er avhengige av antall, men ikke plasseringen av de vendinger. Dette bekrefter topologiske natur symmetri."

Arbeide med metallisk gjenklang meta-atomer konfigureres som kombinert split-ring resonatorer, Zhang og medlemmer av hans forskergruppe samlet tre av disse meta-atomer i trimers. Gjennom forsiktig design av elektromagnetiske koplinger mellom den konstituerende meta-atomer, disse trimers vises Möbius C3 symmetri - som betyr Möbius syklisk symmetri gjennom tre rotasjoner på 120 grader. Den Möbius vendinger resultat av en endring i skilting av elektromagnetisk kopling konstantene mellom konstituerende meta-atomer.

"Den topologiske Möbius symmetri vi fant i vår meta-molekylet trimers er en ny symmetri ikke finnes i naturlig forekommende materialer eller molekyler." Zhang sier. "Siden kopling konstanter av metamolecules kan bli vilkårlig varierte fra positive til negative uten begrensninger, antall Möbius vrir vi kan presentere er ubegrensede. Dette betyr at topologiske strukturer som har så langt vært begrenset til matematiske fantasien kan nå realiseres med metamolecules av forskjellige design. "

Detaljer om denne oppdagelsen har blitt publisert i tidsskriftet Physical Review Letters, i en artikkel med tittelen "Optical Möbius Symmetry i Metamaterials." Co-authoring papiret med Zhang var Chih-Wei Chang, Ming Liu, Sunghyun Nam, Shuang Zhang, Yongmin Liu og Guy Bartal.

Xiang Zhang er en rektor etterforsker med Berkeley Lab er Materialer Sciences Division og Ernest S. Kuh Utrustet Styres professor ved UC Berkeley, der han leder Senter for skalerbar og Integrated nanomanufacturing (SINAM), en National Science Foundation Nano-skala Science and Engineering Center .

I vitenskapen, er symmetri definert som et system funksjon eller eiendom som er bevart når systemet gjennomgår en endring. Dette er en av de mest grunnleggende og avgjørende begreper i vitenskapen, underbygger slike fysiske fenomener som bevaringslover og utvalg regler som regulerer overgangen av et system fra en tilstand til en annen. Symmetri dikterer også kjemiske reaksjoner og driver en rekke viktige vitenskapelige verktøy, inkludert krystallografi og spektroskopi.

Mens noen symmetrier, som romlige geometrier, er lett observeres, kan andre, for eksempel optiske symmetrier, være skjult. Et kraftig undersøkende verktøy for å avdekke skjulte symmetrier er et generelt fenomen kjent som "forfall". For eksempel er energinivået forfall av et atom i en krystall korrelert med krystall symmetri. En tre-kropp system, som en trimer, kan være spesielt effektivt for å studere sammenhengen mellom forfall og symmetri fordi, selv om det er et relativt enkelt system, avslører det et rikt spekter av fenomener.

"De unike egenskapene til en tre-kropp system gjør eksperimentelle undersøkelser av skjulte symmetrier mulig," sier Chih-Wei Chang, en tidligere post-doc i Zhang gruppe og hovedforfatter av papiret i Physical Review Letters, sier. "Fascinert av det ekstraordinære tekniske fleksibilitet av metamaterials, bestemte vi oss for å undersøke noen ikke-trivielle symmetrier skjult under disse metamolecules ved å studere deres forfall egenskaper"

Forfatterne testet sine metamaterials for skjult symmetri av skinnende lys og overvåkning av optiske resonanser. Den resulterende resonant frekvenser avslørte at forfallet er beholdt selv når koblingen konstantene mellom meta-atomer flip skilt.

"Fordi degenerasjon og symmetri er alltid korrelert, må det være noen symmetri skjult under observert forfall" sier Chang.

Forskerne viste at mens trimer systemer med uniform negative (eller positive) kobling tegn kan være symbolisert som en likesidet trekant, kunne trimer systemer med blandet tegn på koblinger bare være symbolisert som et Möbius bånd med topologiske C3 symmetri. Videre, i andre metamolecular systemer laget av seks meta-atomer, demonstrerte forfatterne opp til tre Möbius vendinger.

Sier Chang, nå ansatt ved National Taiwan University i Taipei, "Når kommer fra naturlige systemer til kunstig meta-atomer og metamolecules, kan vi forvente å møte fenomener langt utenfor vår konvensjonelle forestillinger. Den nye symmetrier vi finner i metamaterials kan bli utvidet til andre typer kunstige systemer, for eksempel Josephson veikryss, som vil åpne nye muligheter for romanen fenomener i quantum elektronikk og kvante-optikk. "

Kilde: http://www.lbl.gov/

Last Update: 3. October 2011 09:57

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