Топологический изолятор получили в неупорядоченной среде

Из массива случайно расположенных гироскопов физики создали систему с нетривиальными свойствами, которые определяет топология. В частности, в такой системе можно запустить волну, которая будет двигаться по заранее выбранному сложному маршруту. Статья с результатами опубликована в журнале Nature.

Топологические изоляторы представляют собой особое состояние материи, которое ведет себя как изолятор в объеме вещества, но проводит ток по поверхности. Эта проводимость обеспечивается присущей материалу симметрией и никакое воздействие, не нарушающее эту симметрию, не может изменить это свойство. Впервые подобные состояния были изучены в случае электронной проводимости, но существуют также и механические системы с аналогичными свойствами. В частности, по внешней границе таких тел можно пустить специальную волну, которая способна распространяться только в одном направлении.

Однако все известные до сих пор топологические метаматериалы обладали упорядоченной структурой, например, периодической или квазипериодической. В новой работе ученые под руководством Уильяма Ирвина из Чикагского университета продемонстрировали механическую систему из случайно расположенных гироскопов, которой, тем не менее, присущи такие свойства, как односторонняя проводимость волн по краю. Исследованная структура представляла собой массив соединенных пружинами вращающихся тел, которые приводились в движение специальными моторами.

«Все подобные системы до этого момента были точно сконструированы. Мы думали, что необходимо выстроить определенную решетку, которая будет определять направление распространения волны, — говорит Ирвин. — Однако когда мы решили выяснить, что происходит, если убрать пространственную симметрию, кристаллическую структуру, вообще всякую явную упорядоченную структуру, оказалось, что это по-прежнему работает».

В полученной системе свойства материала определяются локальными свойствами материала, а не глобальными, что с одной стороны позволяет создавать их намного легче, а с другой открывает множество новых возможностей для использования. Человек обнаружил и научился создавать множество материалов без кристаллических структур, таких как пенопласт, стекло, пена, пластик или резина. Если такие аморфные тела могут при определенных условиях демонстрировать некоторые свойства кристаллических, это может стать основой новых технологий в электронике и оптике.