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Scientists discover hidden symmetries, opening new avenues for material design

当你敲一个甜瓜看它熟不熟时,你是在用声波探测里面材料的结构。芝加哥大学(University of Chicago)的物理学家们用同样的概念来探索声波是如何穿过图案结构的,这时他们注意到一个奇怪的现象:完全不同的结构听起来是一样的。

这是一件令人惊讶的事情——有点像敲一个西瓜和一个菠萝,发现它们发出的声音是一样的。

“让我们兴奋的是,我们无法用现有的概念来解释我们的发现,比如空间对称性,”詹姆斯·弗兰克研究所(James Franck Institute)的物理学教授文森佐·维泰利(Vincenzo Vitelli)说。

维泰利和他的团队所发现的是一种二元性,一种“隐藏的”对称,将明显不相关的系统连接起来。他们的研究成果发表在《自然》杂志上,有朝一日可能有助于设计出处理声波信息的超材料,甚至微型设备。

多年来,物理学已经建立了一个基于空间对称性来预测物体属性的框架。看看甲烷分子的塑料模型:它的氢原子形成一个正四面体。这可以告诉你很多关于分子如何振动的信息。同样,乐高模型也帮助作者发现了它们的二重性。(他们的网站上有视频演示。)

如果这些二元性可以被利用来赋予一种材料本来不具备的属性,那会怎样?

在过去的几年里,人们对超材料的兴趣激增。这些是人工结构,具有通常在自然界中没有的特性。例如,人们花了很多心思来实现一种“隐形斗篷”,这种隐形斗篷使用的是一种复合材料,可以利用其内部几何形状来弯曲射入的光线。

Fruchart和Vitelli设想用这种方法获得一个粒子,比如声子(本质上是一个热粒子),并赋予它通常不具备的属性。


电子具有一种被称为“自旋”的特性,它是一些最新的高科技电子产品的基础。声子没有自旋,但如果科学家们能够塑造材料的结构,使声子具有“假自旋”,他们就有可能将其用于声子设备——类似于电子设备,但具有不同的功能,如热控制。

维泰利说:“通过移动声子,我们可以处理存储在其伪自旋中的信息。”

他们把这个概念称为“机械自旋电子学”。科学家们表示,他们希望在设计超材料时,双性能被证明与对称性目前的重要性一样。

“我们的方法也适用于其他波,而不仅仅是声波——例如,光和物质波,”Fruchart说。

引用:“二元性和非阿贝尔力学。” Fruchart等人,Nature, Jan。20日,2019. doi.org/10.1038/s41586 – 020 – 1932 – 6

资助:美国陆军研究办公室,国家科学基金会,荷兰科学研究组织,芝加哥大学

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.uchicago.edu/story/scientists-discover-hidden-symmetries-opening-new-avenues-material-design