Come i solitoni piegano il tempo, lo spazio e le regole

Se cammina come una particella e parla come una particella… probabilmente non è una particella. Un solitone topologico è un tipo speciale di onda o dislocazione che si comporta come una particella: può muoversi ma non può espandersi e scomparire come ci si aspetterebbe, ad esempio, da un'increspatura sulla superficie di uno stagno. In un nuovo studio pubblicato su naturaI ricercatori dell’Università di Amsterdam hanno dimostrato il comportamento insolito degli isolamenti topologici in un metamateriale robotico, qualcosa che potrebbe essere utilizzato in futuro per controllare il modo in cui i robot si muovono, percepiscono l’ambiente circostante e comunicano.

Gli isolati topologici possono essere trovati in molti luoghi e su molte scale di lunghezza diverse. Ad esempio, assumono la forma di nodi I cavi telefonici sono arrotolati E grandi molecole come le proteine. Su una scala completamente diversa, A Buco nero Può essere inteso come un solitone topologico nel tessuto dello spazio-tempo. I solitoni svolgono un ruolo importante nei sistemi biologici, essendo legati agli organismi viventi Ripiegamento delle proteine E Morfologia – Sviluppo di cellule o organi.

Le caratteristiche uniche dei solitoni topologici – ovvero che possono muoversi ma mantengono sempre la loro forma e non possono scomparire all’improvviso – sono particolarmente interessanti se combinate con le cosiddette interazioni non reciproche. “In tale interazione, il fattore A interagisce con il fattore B in modo diverso dal modo in cui il fattore B interagisce con il fattore A”, spiega Jonas Veenstra, dottorando presso l'Università di Amsterdam e primo autore della nuova pubblicazione.

“Le interazioni non reciproche sono comuni nella società e nei sistemi viventi complessi, ma sono state a lungo ignorate dalla maggior parte dei fisici perché possono esistere solo in un sistema al di fuori dell’equilibrio”, continua Veenstra. Introducendo interazioni non reciproche nei materiali, speriamo di rimuovere i confini tra materiali e macchine e creare materiali viventi o realistici.

Il Laboratorio Automatizzato dei Materiali dove Veenstra conduce le sue ricerche è specializzato nel design metamateriali: Materiali artificiali e sistemi robotici che interagiscono con l'ambiente in modo programmabile. Il gruppo di ricerca ha deciso di studiare l'interazione tra interazioni non reciproche e isolamenti topologici quasi due anni fa, quando gli studenti Anahita Sarvi e Chris Ventura Minnersen hanno deciso di portare avanti il ​​loro progetto di ricerca per il corso di master “Academic Skills for Research”.

Il metamateriale robotico solitone e anti-solitone si trova al confine tra le sezioni inclinate a sinistra e a destra della catena. Ogni asta blu è collegata alle vicine con elastici rosa e sotto ciascuna asta è presente un piccolo motore che rende le interazioni tra aste adiacenti non reciproche. Credito: Jonas Veenstra/UvA

Solitone si muove come un domino

Il metamateriale ospite solitone sviluppato dai ricercatori è costituito da una serie di aste rotanti collegate tra loro da fasce elastiche – vedere la figura sotto. Ogni asta è montata su un piccolo motore che applica una piccola forza all'asta, a seconda di come è orientata rispetto a quella vicina. Ancora più importante, la forza applicata dipende da quale lato si trova il vicino, rendendo le interazioni tra le barre adiacenti non reciproche. Infine, i magneti presenti sulle barre vengono attratti da magneti posti accanto alla catena in modo che ciascuna barra abbia due posizioni preferite, ruotata verso sinistra o verso destra.

Gli isolati trovati in questo metamateriale sono i siti in cui si incontrano le parti della catena che ruotano a sinistra e a destra. I confini complementari tra le sezioni di corda ruotate a destra e a sinistra sono chiamati antisolitoni. Questo è simile ai nodi del cavo telefonico a spirale vecchio stile, dove si incontrano sezioni di filo che ruotano in senso orario e antiorario.

Quando i motori in serie sono spenti, i solitoni e le controsolitudini possono essere guidati manualmente in qualsiasi direzione. Tuttavia, una volta attivati ​​i motori – e quindi le reciproche interazioni – i solitoni e gli antisoloni scivolano automaticamente lungo la catena. Entrambi si muovono nella stessa direzione, ad una velocità determinata dalla proprietà di non reciprocità imposta dai motori.

Feenstra: “Molta ricerca si è concentrata sullo spostamento dei solitoni topologici mediante l'applicazione di forze esterne. Nei sistemi studiati finora, è stato scoperto che solitoni e anti-solitoni si muovono naturalmente in direzioni opposte. Tuttavia, se si desidera controllare il comportamento di (anti -solitoni) ), potresti volerli spingere nella stessa direzione. Abbiamo scoperto che le interazioni non reciproche ottengono proprio questo. Le forze non reciproche sono proporzionali allo spin generato dal solitone, in modo tale che ogni solitone genera il proprio forza motrice.

Il movimento dei solitoni è come la caduta di una serie di tessere del domino, ognuna delle quali fa cadere quella successiva. Tuttavia, a differenza del domino, le interazioni non reciproche assicurano che il “rovescio” possa avvenire solo in una direzione. Mentre un domino può cadere solo una volta, un solitone che si muove lungo il metamateriale prepara semplicemente la catena affinché l'antisolitone si muova attraverso di esso nella stessa direzione. In altre parole, qualsiasi numero di isolati e anti-isolati può spostarsi lungo la catena senza bisogno di essere “reimpostato”.

Controllo del movimento

Comprendere il ruolo della spinta non reciproca non solo ci aiuterà a comprendere meglio il comportamento dei solitoni topologici nei sistemi viventi, ma potrebbe anche portare a progressi tecnologici. Il meccanismo che genera i solitoni autoguidati unidirezionali rivelato in questo studio potrebbe essere utilizzato per controllare il movimento di diversi tipi di onde (noto come governo delle onde) o per fornire al metamateriale una capacità di elaborazione delle informazioni di base come il filtraggio.

I futuri robot potrebbero anche utilizzare silos topologici per funzioni robotiche di base come il movimento, la segnalazione e il rilevamento dell’ambiente circostante. Queste funzioni non saranno più controllate da un punto centrale, ma emergeranno dalla somma delle parti attive del robot.

Nel complesso, l’effetto domino dei solitoni nei materiali sintetici, ora un’interessante osservazione in laboratorio, potrebbe presto iniziare a svolgere un ruolo in vari rami dell’ingegneria e del design.

Riferimento: “Nonreciprocal topological solitons in active metamaterials” di Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayon, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Meinersen e Corentin Collet, 20 marzo 2024, natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07097-6