超材料領域徹底改變了我們對如何操縱電磁波和機械激發(fā)的理解。通過亞波長尺度的結構工程，科學家可以設計出自然界中沒有的材料特性。一個特別令人興奮的研究領域是探索這些人工材料中拓撲孤子的潛力。這些孤立波穩(wěn)定且保持形狀，有望用于從軟機器人到量子計算的應用。然而，一個關鍵的限制一直存在：傳統(tǒng)的孤子驅動機制缺乏方向性。最近，一篇發(fā)表在《自然》雜志的論文，探討了活性超材料中非互易拓撲孤子的最新突破。

拓撲孤子

孤子是一類迷人的孤立波，它們在介質中傳播而不改變形狀。想象一下水面上的波包，普通波會隨著傳播而分散，但孤子會保持其完整性。這種顯著的穩(wěn)定性源于非線性和介質中色散之間的微妙平衡。拓撲孤子更進一步，它們的穩(wěn)定性不僅歸功于材料特性，還歸功于它們固有的拓撲特征。該特征與空間的基本數(shù)學特性相關聯(lián)，并確保孤子無法被連續(xù)地轉換掉——它是系統(tǒng)本身結構中的一個扭結。拓撲孤子的例子存在于各個科學領域，從磁鏈中的扭結到超導體中的量子渦旋。

活性超材料

超材料是人工設計的材料，經(jīng)過工程設計可表現(xiàn)出自然界中不易找到的特性。通過在納米尺度上精心構建材料，科學家們可以操縱光或聲波與材料的相互作用，從而實現(xiàn)負折射率或隱形等特性。活性超材料通過結合外部能源或控制機制將這一概念進一步發(fā)展，這允許實時操縱材料的特性，實現(xiàn)被動材料無法實現(xiàn)的功能。

在大多數(shù)材料中，如果波可以從點 A 傳播到點 B，那么具有相同特性的波也可以向相反方向 (B 到 A) 傳播。這個原理，被稱為牛頓第三定律，適用于許多物理相互作用。然而，活性超材料可以打破這種互易性。通過引入非互易相互作用，其中材料的響應取決于波傳播的方向，科學家可以實現(xiàn)單向波導或隔離器等功能。

合并概念

新研究將拓撲孤子的迷人特性與活性超材料的可控性結合在一起。通過設計具有非互易相互作用的活性超材料，科學家已經(jīng)能夠創(chuàng)建非互易拓撲孤子。這些孤子表現(xiàn)出獨特的特性：它們可以被驅動到特定方向。這種方向控制為操縱超材料中的能量流和信息傳遞開辟了令人興奮的可能性。

這些非互易孤子的理論框架的發(fā)展依賴于構建特定的活性機械超材料。這些材料由相互連接的振蕩器組成，這些振蕩器表現(xiàn)出非互反耦合，并受到雙穩(wěn)態(tài)電位(具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)的電位)的影響。這種設計允許有控制地創(chuàng)建和操縱沿首選方向移動的孤子。

潛在應用

控制拓撲孤子方向的能力對各個科學和技術領域具有重要意義。以下是一些潛在應用：

• 單向波導：非互易孤子可用于設計僅在一個方向上傳輸信息的波導。這對于開發(fā)新穎的通信技術或創(chuàng)建強大的光學電路至關重要。

• 定向能量傳輸：孤子的方向控制可用于在超材料內有效地傳輸能量。這可能應用于微型能量收集裝置或為微型機器人供電。

• 軟機器人：孤子的局部和可控特性使其成為操縱軟機器人結構的理想選擇。通過將這些孤子嵌入軟材料中，研究人員可以創(chuàng)建具有更復雜和可控運動能力的機器人。www.ws46.com