Posted in | Nanomaterials

Forskare Hitta nya Topologiska Symmetri i Metamaterial

Published on December 21, 2010 at 1:23 AM

Möbius symmetri, den topologiska fenomen som ger en halv-twisted band med två ytor, men bara en sida, har varit en källa till fascination sedan dess upptäckt 1858 av den tyske matematikern augusti Möbius.

Som konstnär MC Escher så levande visats i hans "parad av myror," det är möjligt att korsa "insidan" och "utanför" ytor på en Möbius band utan att passera över en kant. I åratal har forskare letat efter ett exempel på Möbius symmetri i naturmaterial utan framgång. Nu har en grupp forskare har upptäckt Möbius symmetri i metamaterial - material tillverkade av konstfiber "atomer" och "molekyler" med elektromagnetiska egenskaper som uppstår ur sin struktur snarare än deras kemiska sammansättning.

Berkeley Lab forskare har upptäckt Möbius symmetri i metamolecular trimerer tillverkade av metaller och dielektrika.

Xiang Zhang, en vetenskapsman med US Department of Energy är Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och en professor vid University of California (UC) Berkeley, har lett en studie där elektromagnetiska Möbius symmetri med framgång införts i komposit metamolecular system tillverkade av metall och dielektrika. Denna upptäckt öppnar dörren till att hitta och utnyttja nya fenomen i metamaterial.

"Vi experimentellt har observerat en ny topologiskt symmetri i elektromagnetiska metamaterial system som motsvarar den strukturella symmetrin i en Möbius band med antalet vändningar kontrolleras av tecken på förändringar i den elektromagnetiska kopplingen mellan meta-atomer," säger Zhang. "Vi har vidare visat att metamaterial med olika koppling tecken uppvisar resonans frekvenser som beror på antalet, men inte placeringen av vändningar. Detta bekräftar topologiska typ av symmetri."

Arbeta med metall resonant meta-atomer konfigureras som tillsammans delad ring resonatorer, Zhang och medlemmar av hans forskargrupp samman tre av dessa meta-atomer till trimerer. Genom omsorgsfull utformning av den elektromagnetiska kopplingar mellan de ingående meta-atomer, dessa trimerer visas Möbius C3 symmetri - vilket betyder Möbius cyklisk symmetri genom tre varv på 120 grader. Den Möbius vrider resultat av en förändring i tecknen på den elektromagnetiska kopplingen konstanterna mellan de ingående meta-atomer.

"Den topologiska Möbius symmetri vi fann i vår meta-molekyl trimerer är en ny symmetri som inte finns i naturligt förekommande material eller molekyler." Zhang säger. "Eftersom kopplingen konstanter metamolecules kan godtyckligt varieras från positivt till negativt utan några restriktioner, antalet Möbius vändningar kan vi införa är obegränsade. Detta innebär att topologiska strukturer som hittills varit begränsad till matematiska fantasin nu kan förverkligas med hjälp av metamolecules olika utföranden. "

Detaljer om denna upptäckt har publicerats i tidskriften Physical Review Letters, i en uppsats med titeln "Optisk Möbius Symmetri i metamaterial." Co-authoring pappret med Zhang var Chih-Wei Chang Ming Liu, Sunghyun Nam, Shuang Zhang, Yongmin Liu och Guy Bartal.

Xiang Zhang är en delförsöksledare med Berkeley Lab Materials Sciences Division och Ernest S. Kuh Begåvad Ordförande professor vid UC Berkeley, där han leder Centrum för skalbar och integrerad nanotillverkning (SINAM), en National Science Foundation nanoskala Science and Engineering Center .

Inom vetenskapen är symmetri definieras som ett system funktion eller egenskap som bevaras när systemet genomgår en förändring. Detta är en av de mest grundläggande och avgörande begrepp inom vetenskapen, som ligger till grund sådana fysikaliska fenomen som bevarande lagar och regler val som styr övergången från ett system från ett land till ett annat. Symmetri alltså även kemiska reaktioner och driver ett antal viktiga vetenskapliga verktyg, inklusive kristallografi och spektroskopi.

Medan vissa symmetrier, såsom rumsliga geometrier, är lätt iakttas, kan andra, såsom optiska symmetrier, vara dold. Ett kraftfullt undersökande verktyg för att avslöja dolda symmetrier är ett allmänt fenomen som kallas "förfall". Till exempel är energinivån degenerering av en atom i en kristall korrelerade med kristallen symmetri. En tre organsystem, som en trimerer, kan vara särskilt effektivt för att studera sambandet mellan förfall och symmetri, för även det är ett relativt enkelt system, avslöjar en rik spektrum av fenomen.

"De unika egenskaperna hos tre organsystem göra experimentella undersökningar av dolda symmetrier möjligt", säger Chih-Wei Chang, en tidigare post-doc i Zhangs grupp och huvudförfattare av papperet i Physical Review Letters, säger. "Fascineras av extraordinära tekniska flexibiliteten av metamaterial, beslöt vi att undersöka några icke-triviala symmetrier dolda under dessa metamolecules genom att studera deras förfall egenskaper"

Författarna testade deras metamaterial för dolda symmetri med att putsa ett ljus och övervakning av optiska resonanser. Den resulterande resonansfrekvenser visade att förfall hålls även när kopplingskonstanter mellan meta-atomer flip skyltar.

"Eftersom förfall och symmetri är alltid korrelerade, måste det finnas någon symmetri dolda under den observerade förfallet", säger Chang.

Forskarna visade att medan trimerer system med enhetliga negativ (eller positiv) koppling tecken kan symboliseras som en liksidig triangel, kunde trimerer system med blandade tecken på kopplingar bara symboliseras som en Möbius band med topologiska C3 symmetri. Vidare i andra metamolecular system av sex meta-atomer, visade författarna upp till tre Möbius vändningar.

Säger Chang, nu lärare vid National Taiwan University i Taipei, "När går från naturliga system till artificiell meta-atomer och metamolecules, kan vi förvänta oss att möta fenomen långt bortom våra konventionella föreställningar. Den nya symmetrier vi finner i metamaterial kan förlängas till andra typer av konstgjorda system, såsom Josephson korsningar, som kommer att öppna nya möjligheter för nya fenomen i Kvantelektronik och kvantoptik. "

Källa: 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