ENGINEERINGNET.BE - Topologische randtoestanden van metamaterialen bieden ongekende mogelijkheden voor golfgeleiding, detectie, rekenen en filtering. Vandaar dat topologie een onderzoeksprioriteit van de materiaalkunde is.
De noodzaak om een wiskundig model te matchen met een fysiek systeem, beperkt echter het onderzoek tot materialen waarvoor al een theoretische beschrijving bestaat, en vormt een knelpunt voor het identificeren en ontwerpen van topologische materialen.
Om dit probleem aan te pakken, werkte de Nederlandse Universiteit van Amsterdam (UvA) samen met het Franse École Normale Supérieure van Lyon (ENS Lyon).
“We hebben een manier gevonden om topologisch beschermde zachte of kwetsbare plekken in onbekende metamaterialen te meten zonder de noodzaak van modellering", zegt Xiaofei Guo van de UvA.
De onderzoekers demonstreerden hun methode met metamaterialen bestaande uit een netwerk van rotoren verbonden door elastische veren. De topologie in deze systemen kan sommige delen van een dergelijk metamateriaal erg slap of stijf maken.
Mede-onderzoeker Denis Bartolo van ESN Lyon: “Het selectief lokaal bewegen van een materiaal zou ons alle benodigde informatie kunnen opleveren om zachte of kwetsbare plekken in de structuur bloot te leggen, zelfs in gebieden die ver verwijderd zijn van onze sondes. Op basis hiervan hebben we een praktisch protocol ontwikkeld dat toepasbaar is op een breed scala aan materialen en metamaterialen.”
Door individuele rotoren in het metamateriaal een duw te geven en de resulterende verplaatsingen in het systeem te volgen, identificeerden de onderzoekers verschillende mechanische moleculen: groepen rotoren en veren die als een enkele eenheid bewegen.
In analogie met elektrostatische systemen bepaalden ze hierna de effectieve polarisatie van elk molecuul, berekend op basis van de bewegingen van de moleculen.
De polarisatie zal plotseling van richting veranderen als er een topologisch slap of stijf punt aanwezig is, zodat de inherente topologie makkelijk te identificeren is.
De onderzoekers pasten hun methode toe op diverse metamaterialen, waarvan sommige uit eerdere studies bekend waren als topologisch, terwijl andere nieuwe structuren waren zonder een bijbehorend wiskundig model.
Hun resultaten tonen aan dat de experimenteel bepaalde polarisatie effectief is in het aanwijzen van topologische kenmerken.
