Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Topologie biedt ook bescherming in mechanische metamaterialen

Bepaalde afwijkingen in het rooster van mechanische metamaterialen kunnen leiden tot topologisch beschermde excitaties in het rooster. Dit vormt het mechanische equivalent van de al langer bekende topologische beschermde toestanden in elektronische systemen, zoals topologische isolatoren. Dat tonen onderzoekers van de Universiteit Leiden en Stichting FOM aan in een publicatie in Narture Physics. Het onderzoek maakt de weg vrij voor het ontwerp van mechanische nano-structuren en voor robuuste informatie-opslag.

Demonstratiemodel in laboratorium

Onderzoekers Vincenzo Vitelli, Jayson Paulose en Bryan Gin-ge Chen bouwden een demonstratiemodel van een zogeheten Kagome-rooster, vernoemd naar een bekend Japans patroon op geweven bamboe mandjes. Het bestaat uit regelmatige zeshoeken, afgewisseld met driehoeken. Het demonstratiemodel dat de onderzoekers in het laboratorium maakten, bestaat uit driehoeken, die met bewegende scharniertjes op elk van de drie hoeken met elkaar verbonden zijn.

Verbindingen maniluleren

Vervolgens manipuleerden de onderzoekers de verbindingen tussen de driehoeken. De vervormingen die zo ontstonden, bleken zich op twee manieren te kunnen gedragen. In het ene geval bleef het rooster net zo stijf als zonder de vervorming, en in het andere geval ontstond er een klein, gelokaliseerd gebiedje waarin beweging mogelijk was.

Computersimulaties

Om de achterliggende theorie te testen, voerden de onderzoekers computersimulaties uit van vervormde Kagome-roosters en van vergelijkbare vervormingen in een eenvoudiger, rechthoekig rooster.

Mechanische nanostructuren

Het gecontroleerd aanbrengen van topologisch beschermde roosterdefecten biedt volgens Vitelli en collega’s mogelijkheden voor de ontwikkeling van mechanische nanostructuren voor bijvoorbeeld moleculaire robotjes.

Robuste informatieopslag met vormende bits

Ook biedt het onderzoek nieuwe mogelijkheden voor robuuste opslag van informatie. Bits krijgen dan de vorm van een aanwezig (een) of afwezig (nul) beschermde topologische toestand in het rooster.

Topological Mechanics Lab

Het onderzoek vond plaats in het onlangs geopende Topological Mechanics Lab (Leiden), opgericht door Vincenzo Vitelli. Het is onderdeel van een nieuw onderzoeksprogramma waarin onderzoekers het mechanische equivalent van topologische quantummaterialen bestuderen, zowel in theorie als in de praktijk. FOM en Delta ITP (NWO & OCW) financierden het onderzoek.

Meer informatie

• Artikel  Topological modes bound to dislocations in mechanical metamaterials, Jayson Paulose, Bryab Gin-ge en Vincenzo Vitelli. 
• Bekijk hier  filmpjes over dit onderwerp