Möbius symmetrie, de topologische verschijnsel dat een half-gedraaide strip met twee oppervlakken, maar slechts een kant levert, is een bron van fascinatie sinds zijn ontdekking in 1858 door de Duitse wiskundige augustus Möbius.
Als kunstenaar MC Escher zo levendig aangetoond in zijn "parade van de mieren," het is mogelijk om de "binnen" en "buiten" vlakken van een Möbius strip doorkruisen zonder oversteken een rand. Al jaren hebben wetenschappers op zoek naar een voorbeeld van Möbius symmetrie in natuurlijke materialen, zonder enig succes. Nu heeft een team van wetenschappers heeft ontdekt Möbius symmetrie in metamaterialen - materialen engineered van kunstmatige "atomen" en "moleculen" met elektromagnetische eigenschappen die voortkomen uit hun structuur in plaats van hun chemische samenstelling.
Berkeley Lab onderzoeker hebben ontdekt Möbius symmetrie in metamolecular trimeren gemaakt van metalen en diëlektrica.
Xiang Zhang, een wetenschapper met het Amerikaanse Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en een hoogleraar aan de Universiteit van Californië (UC) Berkeley, leidde een studie waarin elektromagnetische Möbius symmetrie met succes werd geïntroduceerd in samengestelde metamolecular systemen gemaakt van metalen en diëlektrica. Deze ontdekking opent de deur naar het vinden en benutten van nieuwe verschijnselen in metamaterialen.
"We hebben een nieuw experimenteel topologische symmetrie in elektromagnetische metamateriaal systemen die gelijkwaardig is aan de structurele symmetrie van een Möbius strip waargenomen, met het aantal draaiingen gecontroleerd door teken veranderingen in de elektromagnetische koppeling tussen de meta-atomen", zegt Zhang zegt. "We hebben verder aangetoond dat metamaterialen met verschillende koppeling tekenen resonantie frequenties die afhangt van het aantal, maar niet de locaties van de wendingen vertonen. Dit bevestigt de topologische aard van de symmetrie. '
Werken met metallic resonerende meta-atomen geconfigureerd als gekoppeld split-ring resonatoren, Zhang en leden van zijn onderzoeksgroep samengesteld drie van deze meta-atomen in de trimeren. Door zorgvuldig ontwerp van de elektromagnetische koppelingen tussen de samenstellende meta-atomen, deze trimeren weergegeven Möbius C3 symmetrie - betekent Möbius cyclische symmetrie door drie rotaties van 120 graden. Het Möbius draait het gevolg zijn van een verandering in de tekenen van de elektromagnetische koppeling constanten tussen de samenstellende meta-atomen.
"De topologische Möbius symmetrie vonden we in onze meta-molecule trimeren is een nieuw symmetrie niet gevonden in de natuur voorkomende materialen of moleculen." Zhang zegt. "Sinds de koppeling van de constanten metamolecules kan willekeurig worden gevarieerd van positief naar negatief, zonder enige beperkingen, het aantal draaiingen Möbius we kunnen invoeren, zijn onbeperkt. Dit betekent dat de topologische structuren die tot nu toe beperkt gebleven tot wiskundige verbeelding nu kan worden gerealiseerd met behulp van metamolecules van verschillende ontwerpen. "
Details over deze ontdekking is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters, in een paper met de titel "Optische Möbius Symmetrie in Metamaterialen." Co-authoring het papier met Zhang waren Chih-Wei Chang, Ming Liu, Sunghyun Nam, Shuang Zhang, Yongmin Liu en Guy Bartal.
Xiang Zhang is een principal investigator met Berkeley Lab Materials Sciences Division en de Ernest S. Kuh Bijzonder Onder voorzitterschap hoogleraar aan de UC Berkeley, waar hij leiding aan het Centrum voor schaalbare en geïntegreerde nanofabricage (SINAM), een National Science Foundation nano-schaal Science and Engineering Center .
In de wetenschap wordt symmetrie gedefinieerd als een systeem functie of eigenschap die behouden blijft wanneer het systeem een verandering ondergaat. Dit is een van de meest fundamentele en cruciale concepten in de wetenschap, die ten grondslag liggen zoals fysische fenomenen zoals de behoudswetten en selectie regels die de overgang van een systeem bepalen van de ene toestand naar de andere. Symmetrie dicteert ook de chemische reacties en rijdt in een aantal belangrijke wetenschappelijke instrumenten, waaronder kristallografie en spectroscopie.
Terwijl sommige symmetrieën, zoals ruimtelijke geometrieën, zijn gemakkelijk waargenomen, kunnen anderen, zoals optische symmetrieën, worden verborgen. Een krachtig onderzoeksinstrument voor het blootleggen van verborgen symmetrieën is een algemeen fenomeen dat bekend staat als "degeneratie." Bijvoorbeeld, is het energieniveau degeneratie van een atoom in een kristal gecorreleerd met het kristal symmetrie. Een drie-deeltjes systeem, net als een trimeer, kan vooral effectief zijn voor het bestuderen van de correlatie tussen de ontaarding en symmetrie, want hoewel het een relatief eenvoudig systeem, onthult een rijk scala aan verschijnselen.
"De unieke eigenschappen van een drie-deeltjes systeem maken experimenteel onderzoek van verborgen symmetrieën mogelijk," zegt Chih-Wei Chang, een voormalige post-doc in de groep van Zhang en de hoofdauteur van het papier in Physical Review Letters, zegt. "Geïntrigeerd door de buitengewone technische flexibiliteit van metamaterialen, hebben we besloten om een aantal niet-triviale symmetrieen verborgen onder deze metamolecules door het bestuderen van hun ontaarding eigenschappen te onderzoeken"
De auteurs hun metamaterialen getest op verborgen symmetrie door schijnt een licht en het toezicht op de optische resonanties. De resulterende resonantiefrequenties bleek dat ontaarding wordt bewaard, zelfs wanneer de koppeling tussen de constanten meta-atomen flip borden.
"Omdat ontaarding en symmetrie zijn altijd gecorreleerd zijn, moet er wat symmetrie verborgen onder de waargenomen degeneratie", zegt Chang.
De onderzoekers toonden aan dat terwijl trimeer systemen met een uniforme negatieve (of positieve) koppeling tekens kunnen worden gesymboliseerd als een gelijkzijdige driehoek, trimeer systemen met gemengde tekenen van koppelingen alleen kon worden gesymboliseerd als een Möbius strip met topologische C3 symmetrie. Bovendien is in andere metamolecular, vervaardigd van zes meta-atomen, de auteurs laten zien tot drie Möbius wendingen.
Zegt Chang, nu een lid van de faculteit bij National Taiwan University in Taipei, "Als gaande van natuurlijke systemen aan kunstmatige meta-atomen en metamolecules, kunnen we verwachten dat fenomenen tegenkomen ver buiten onze conventionele opvattingen. De nieuwe symmetrieën die we in metamaterialen kan worden uitgebreid aan andere vormen van kunstmatige systemen, zoals Josephson juncties, die nieuwe wegen zal openen voor nieuwe verschijnselen in quantum elektronica en kwantumoptica. "
Bron: http://www.lbl.gov/