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Cientistas descobrem Symmetry Topológica em New metamateriais

Published on December 21, 2010 at 1:23 AM

Möbius simetria, o fenômeno topológica que produz uma tira de meia-trançado com duas superfícies, mas somente um lado, tem sido uma fonte de fascinação desde sua descoberta em 1858 pelo matemático alemão agosto Möbius.

Como artista MC Escher tão vividamente demonstrado em seu "desfile de formigas", é possível atravessar o "dentro" e "fora" superfícies de uma tira de Möbius sem atravessar uma borda. Durante anos, cientistas vêm procurando um exemplo de Möbius simetria em materiais naturais, sem qualquer sucesso. Agora, uma equipe de cientistas descobriu Möbius simetria em metamateriais - materiais fabricados a partir artificial "átomos" e "moléculas" com propriedades eletromagnéticas que surgem a partir de sua estrutura, em vez de sua composição química.

Berkeley Lab pesquisador descobriu simetria Möbius em trímeros metamolecular feito de metais e dielétricos.

Xiang Zhang, cientista do Departamento dos EUA, Lawrence Energia Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e um professor da Universidade da Califórnia (UC), Berkeley, conduziu um estudo em que a simetria eletromagnética Möbius foi introduzido com sucesso em composite sistemas metamolecular feitos de metais e dielétricos. Esta descoberta abre a porta para encontrar e explorar fenômenos romance em metamateriais.

"Temos observado experimentalmente uma nova simetria topológica em sistemas eletromagnéticos metamaterial que é equivalente à simetria estrutural de uma fita de Möbius, com o número de voltas controlados por mudanças de sinal no acoplamento eletromagnético entre os átomos de meta", diz Zhang. "Temos ainda demonstrado que os metamateriais com sinais de acoplamento diferentes apresentam freqüências de ressonância que dependem do número, mas não os locais das torções. Isto confirma a natureza topológica da simetria".

Trabalhando com metálicas ressonantes meta-átomos configurado como aliada dividida anel ressonadores, Zhang e membros de seu grupo de pesquisa montados três desses átomos meta-em trímeros. Através de um projeto cuidadoso dos acoplamentos eletromagnético entre o componente de meta-átomos, estes trímeros exibido Möbius C3 simetria - o que significa Möbius simetria cíclica através de três rotações de 120 graus. O resultado Möbius reviravoltas de uma mudança nos sinais das constantes eletromagnéticas acoplamento entre o componente de meta-átomos.

"A simetria Möbius topológico encontramos em nossa meta molécula trímeros é uma nova simetria não encontradas em materiais naturais ou moléculas." Zhang diz. "Desde a constantes de acoplamento de metamolecules pode ser arbitrariamente variou de positivo para negativo, sem quaisquer restrições, o número de voltas Möbius podemos introduzir são ilimitadas. Isto significa que as estruturas topológicas que têm sido até agora limitada à imaginação matemática agora pode ser realizado utilizando metamolecules de projetos diferentes. "

Detalhes sobre essa descoberta foram publicados na revista Physical Review Letters, em um estudo intitulado "Symmetry Möbius óptica em metamateriais." Co-autor do papel com Zhang foram Chih-Wei Chang, Ming Liu, Sunghyun Nam, Shuang Zhang, Liu Yongmin e Guy Bartal.

Xiang Zhang é um investigador principal com Laboratórios Berkeley Sciences Division eo Ernest S. Kuh Dotado Presidido Professor na Universidade de Berkeley, onde dirige o Centro de Nanofabricação Scalable e Integrada (SINAM), a National Science Foundation Ciência Nano-escala e Centro de Engenharia .

Na ciência, a simetria é definida como uma característica do sistema ou propriedade que é preservada quando o sistema passa por uma mudança. Este é um dos conceitos mais fundamentais e cruciais na ciência, que sustentam tais fenômenos físicos como as leis de conservação e regras de seleção que governam a transição de um sistema de um estado para outro. Simetria também determina as reações químicas e dirige um número importante de ferramentas científicas, incluindo cristalografia e da espectroscopia.

Enquanto algumas simetrias, como geometrias espaciais, são facilmente observáveis, outros, tais como simetrias óptica, pode estar oculta. Uma poderosa ferramenta de investigação para descobrir simetrias escondidas é um fenômeno geral conhecido como "degeneração". Por exemplo, a degeneração nível de energia de um átomo em um cristal está correlacionada com a simetria do cristal. Um sistema de três corpos, como um trímero, pode ser especialmente eficaz para estudar a correlação entre degeneração e simetria, porque, embora seja um sistema relativamente simples, ela revela um rico espectro de fenômenos.

"As propriedades únicas de um sistema de três corpos fazer investigações experimentais de simetrias escondidas possível", diz Chih-Chang Wei, um ex-pós-doc no grupo de Zhang e autor principal do artigo na Physical Review Letters, diz. "Intrigado com as flexibilidades de engenharia extraordinária dos metamateriais, decidimos investigar algumas simetrias não-trivial escondido sob essas metamolecules estudando suas propriedades de degenerescência"

Os autores testaram sua metamateriais por simetria oculta por uma luz brilhante e monitoramento das ressonâncias óptica. As freqüências de ressonância resultante revelou que a degeneração é mantida mesmo quando as constantes de acoplamento entre o meta-átomos sinais flip.

"Por causa degeneração e simetria são sempre correlacionados, deve haver alguma simetria escondida sob a degeneração observada", diz Chang.

Os pesquisadores mostraram que, enquanto sistemas trímero com negativa uniforme sinais (ou positivo) de acoplamento pode ser simbolizado como um triângulo equilátero, sistemas trímero com sinais mistos de acoplamentos só poderia ser simbolizada como uma tira de Möbius com simetria C3 topológica. Além disso, em outros sistemas metamolecular feita de seis meta-átomos, os autores demonstraram até três voltas Möbius.

Diz Chang, agora um membro do corpo docente da Universidade Nacional de Taiwan, em Taipei, "Quando vai de sistemas naturais para artificiais meta-átomos e metamolecules, podemos esperar encontrar fenômenos muito além de nossas concepções convencionais. As simetrias nova encontramos em metamateriais poderia ser alargado a outros tipos de sistemas artificiais, tais como junções Josephson, que irá abrir novos caminhos para os fenômenos romance em eletrônica quântica e óptica quântica. "

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

Last Update: 5. October 2011 20:32

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