Peneliti Temukan Symmetry Möbius di Metamaterials

Livejurnal69 - Simetri Möbius, fenomena topologi yang menghasilkan strip setengah-bengkok dengan dua permukaan tetapi hanya satu sisi, telah menjadi sumber daya tarik sejak penemuannya pada tahun 1858 oleh matematikawan Jerman Agustus Möbius. Sebagai seniman M.C. Escher begitu jelas menunjukkan dalam "parade semut," apakah mungkin untuk melintasi "dalam" dan "luar" permukaan strip Möbius tanpa menyeberang tepi. Selama bertahun-tahun, para ilmuwan telah mencari contoh simetri Möbius dalam bahan-bahan alami tanpa hasil.

Sekarang tim ilmuwan telah menemukan simetri Möbius di metamaterials - bahan direkayasa dari buatan "atom" dan "molekul" dengan sifat-sifat elektromagnetik yang timbul dari struktur mereka daripada komposisi kimianya.

Xiang Zhang, seorang ilmuwan dengan US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) dan seorang profesor di University of California (UC) Berkeley, memimpin sebuah studi di mana elektromagnetik Möbius simetri telah berhasil diperkenalkan ke dalam sistem metamolecular komposit yang terbuat dari logam dan dielektrik. Penemuan ini membuka pintu untuk menemukan dan mengeksploitasi fenomena novel dalam metamaterials.

"Kami memiliki eksperimen mengamati simetri topologi baru dalam sistem metamaterial elektromagnetik yang setara dengan simetri struktural strip Möbius, dengan jumlah tikungan yang dikendalikan oleh tanda perubahan di kopling elektromagnetik antara meta-atom," kata Zhang. "Kami terus menunjukkan bahwa metamaterials dengan tanda-tanda yang berbeda kopling menunjukkan frekuensi resonansi yang bergantung pada jumlah tetapi tidak lokasi dari liku. Hal ini menegaskan sifat topologi simetri tersebut."

Bekerja dengan atom logam meta-resonansi dikonfigurasi sebagai resonator split-ring digabungkan, Zhang dan anggota kelompok penelitian berkumpul tiga dari atom-atom meta identik-menjadi trimer. Melalui desain yang cermat terhadap kopling elektromagnetik antara unsur-atom meta, trimer ini ditampilkan simetri Möbius C3 - yang berarti simetri Möbius siklik melalui tiga rotasi 120 derajat. The twists Möbius hasil dari perubahan dalam tanda-tanda konstanta kopling elektromagnetik antara unsur-atom meta.

"Para simetri Möbius topologi kami temukan dalam trimer kita meta-molekul adalah simetri baru tidak ditemukan di bahan alami atau molekul." Zhang mengatakan. "Karena konstanta kopling dari metamolecules dapat secara sewenang-wenang bervariasi dari positif ke negatif tanpa batasan, jumlah Möbius liku kita dapat memperkenalkan tidak terbatas. Hal ini berarti bahwa struktur topologi yang sejauh ini terbatas pada imajinasi matematika kini bisa direalisasikan metamolecules menggunakan desain yang berbeda. "

Rincian penemuan ini telah dipublikasikan dalam jurnal Physical Review Letters, dalam sebuah makalah berjudul "Optical Möbius simetri dalam Metamaterials." Co-authoring kertas dengan Zhang adalah Chih-Wei Chang, Ming Liu, Sunghyun Nam, Shuang Zhang, Yongmin Liu dan Guy Bartal.

Xiang Zhang adalah peneliti utama dengan Bahan Berkeley Lab Ilmu Divisi dan Ernest S. Kuh Diberkahi diketuai Profesor di UC Berkeley, di mana ia mengarahkan Pusat Scalable dan Terpadu NanoManufacturing (Sinam), National Science Foundation Sains Nano-skala dan Rekayasa Pusat .

Dalam ilmu, simetri didefinisikan sebagai fitur sistem atau properti yang dipertahankan ketika sistem ini mengalami perubahan. Ini adalah salah satu konsep yang paling mendasar dan penting dalam ilmu pengetahuan, menyokong fenomena fisik seperti hukum konservasi dan aturan seleksi yang mengatur transisi dari suatu sistem dari satu keadaan ke keadaan lain. Simetri juga mendikte reaksi kimia dan drive sejumlah alat-alat ilmiah yang penting, termasuk kristalografi dan spektroskopi.

Sementara beberapa simetris, seperti geometri spasial, mudah diamati, orang lain, seperti simetri optik, mungkin tersembunyi. Sebuah alat investigasi yang kuat untuk mengungkap simetri tersembunyi adalah fenomena yang umum dikenal sebagai "degenerasi." Sebagai contoh, tingkat energi degenerasi dari sebuah atom dalam kristal berkorelasi dengan simetri kristal. Sebuah sistem tiga-tubuh, seperti trimer, dapat menjadi sangat efektif untuk mempelajari hubungan antara degenerasi dan simetri karena, meskipun merupakan sistem yang relatif sederhana, ini mengungkapkan spektrum kaya fenomena.

"Sifat yang unik dari sistem tiga-tubuh melakukan penyelidikan eksperimental simetri tersembunyi mungkin," ujar Chih-Wei Chang, mantan post-doc dalam kelompok Zhang dan penulis utama kertas di Physical Review Letters, mengatakan. "Penasaran dengan fleksibilitas teknik luar biasa metamaterials, kami memutuskan untuk menyelidiki beberapa simetri non-sepele tersembunyi di bawah ini metamolecules dengan mempelajari sifat degenerasi mereka"

Para penulis diuji metamaterials mereka untuk simetri disembunyikan oleh bersinar terang dan memantau resonansi optik. Frekuensi resonansi yang dihasilkan mengungkapkan bahwa degenerasi disimpan bahkan ketika konstanta kopling antara meta-atom tanda-tanda flip.

"Karena degenerasi dan simetri selalu berkorelasi, harus ada simetri tersembunyi di bawah degenerasi diamati" kata Chang.

Para peneliti menunjukkan bahwa sementara sistem trimer dengan seragam negatif (atau positif) tanda-tanda kopling bisa dilambangkan sebagai segitiga sama sisi, trimer sistem dengan tanda-tanda campuran kopling hanya bisa dilambangkan sebagai strip Möbius dengan simetri C3 topologi. Selanjutnya, dalam sistem metamolecular lainnya yang terbuat dari enam atom meta-, penulis menunjukkan hingga tiga tikungan Möbius.

Chang mengatakan, sekarang menjadi staf pengajar di Universitas Nasional Taiwan di Taipei, "Ketika pergi dari sistem alam untuk atom meta buatan-dan metamolecules, kita dapat berharap untuk menemukan fenomena yang jauh melampaui konsepsi konvensional kami. Simetri baru kita temukan dalam metamaterials bisa diperpanjang untuk jenis lain sistem buatan, seperti sambungan Josephson, yang akan membuka jalan baru untuk fenomena baru dalam elektronika kuantum dan optik kuantum. "

Penelitian ini didukung oleh DOE Office of Science dan oleh Nano Science NSF skala dan Engineering Center.