A topologia, um ramo da matemática, tornou-se uma pedra angular da física moderna, graças às propriedades extraordinárias - e mais importante - confiáveis - que pode transmitir a um material ou sistema. Infelizmente, identificar sistemas topológicos, ou mesmo projetar novos sistemas topológicos, é muitas vezes um processo tedioso que requer correspondência precisa de sistemas físicos com modelos matemáticos.
Pesquisadores da Universidade de Amsterdã e da École Normale Supérieure de Lyon demonstraram um método livre de modelo para identificar estruturas topológicas, permitindo a descoberta de novos materiais topológicos usando métodos puramente experimentais.
A topologia consiste nas propriedades de um sistema que não são alteradas por nenhuma "deformação suave". Como você provavelmente pode perceber por esta descrição bastante formal e abstrata, a topologia começou como um ramo da matemática. Nas últimas décadas, entretanto, os físicos mostraram que a base matemática da topologia pode ter consequências muito reais. Os efeitos topológicos podem ser encontrados em uma variedade de sistemas físicos, desde elétrons individuais até correntes oceânicas em grande escala.
Para dar um exemplo concreto: no campo da matéria quântica, a topologia ganhou fama com os chamados isolantes topológicos. Esses materiais não conduzem eletricidade através de seus corpos, mas os elétrons se movem livremente ao longo de suas superfícies ou bordas. Essa condução superficial persistirá, sem ser impedida por defeitos no material, desde que você não faça algo drástico, como alterar toda a estrutura atômica do material. Além disso, a corrente na superfície ou borda de um isolador topológico tem uma direção fixa (dependendo do spin do elétron), que também é determinada pelas propriedades topológicas da estrutura eletrônica.
Estas características topológicas podem ter aplicações muito úteis, e a topologia tornou-se um dos campos de fronteira da ciência dos materiais. Além de identificar materiais topológicos na natureza, os esforços de pesquisa paralelos estão focados no projeto de materiais topológicos sintéticos de baixo para cima. Os estados extremos topológicos de estruturas mecânicas conhecidas como "metamateriais" oferecem oportunidades incomparáveis para obter respostas confiáveis na orientação, detecção, computação e filtragem de ondas.
A pesquisa nesta área tem sido lenta devido à falta de métodos experimentais para estudar as propriedades topológicas dos sistemas. A necessidade de combinar modelos matemáticos com sistemas físicos limita nossa pesquisa em materiais que já possuem descrições teóricas e cria um gargalo na identificação e projeto de materiais topológicos. Para resolver este problema, Xiaofei Guo e Corentin Cules do Laboratório de Materiais de Máquinas da Universidade de Amsterdã se uniram a Marcelo Guzman, David Carpentier e Denis Bartolo da Ecole Normale Supérieure de Lyon.
Xiaofei Guo disse: "Até agora, a maioria dos experimentos foram feitos para provar teorias ou demonstrar previsões teóricas em periódicos. Encontramos uma maneira de medir pontos moles ou frágeis protegidos topologicamente em metamateriais mecânicos desconhecidos sem a necessidade de modelagem. Nosso método permite a exploração prática e caracterização das propriedades do material sem se aprofundar em estruturas teóricas complexas. "
Os pesquisadores demonstraram sua abordagem usando um metamaterial mecânico feito a partir de uma rede de rotores (hastes rígidas giratórias) conectados por molas elásticas. A topologia nesses sistemas pode tornar certas áreas do metamaterial particularmente moles ou rígidas.
Bartolo explica: "Percebemos que a sondagem localmente seletiva de materiais pode nos fornecer todas as informações necessárias para revelar pontos fracos ou frágeis na estrutura, mesmo em regiões distantes da nossa sondagem. Usando isso, desenvolvemos protocolos altamente práticos que se aplicam a uma ampla gama de materiais e metamateriais."
Ao sondar rotores individuais no metamaterial e rastrear o deslocamento e alongamento resultante no sistema, os pesquisadores identificaram diferentes “moléculas mecânicas”: conjuntos de rotores e molas que se movem como uma unidade. Semelhante aos sistemas eletrostáticos, eles calcularam a “polarização” efetiva de cada molécula com base em seu movimento. Na presença de características topológicas, esta polarização muda repentinamente de direção, tornando a topologia inerente facilmente identificável.
Os pesquisadores aplicaram seu método a uma variedade de metamateriais mecânicos, alguns dos quais eram topologias conhecidas de estudos anteriores, enquanto outros eram novas estruturas para as quais não havia modelo matemático associado. Os resultados mostram que polarizações determinadas experimentalmente são muito eficazes em apontar características topológicas.
Esta abordagem livre de modelos não se limita a sistemas mecânicos; a mesma abordagem também pode ser aplicada a estruturas fotônicas ou acústicas. Isso tornará a topologia mais acessível a uma gama mais ampla de físicos e engenheiros e facilitará a construção de materiais funcionais além das demonstrações em laboratório.
Fonte compilada: ScitechDaily