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利用量子力学研发隔音材料

聚酯纤维吸音板

甜甜圈,电流以及量子力学,这三个词对于大多数人来说只是一个奇怪的单词组合,但对于Sebastian Huber而言,这却是他的工作。Huber是苏黎世联邦理工学院(ETH)的理论物理学家。这几年来,他一直致力于拓扑绝缘体方面的研究,这是一种由于特殊的拓扑结构而具有导电能力的材料(拓扑绝缘体的体内与人们通常认识的绝缘体一样,是绝缘的,但是在它的边界或表面总是存在导电的边缘态,这是它有别于普通绝缘体的最独特的性质。译审注)。

  对拓扑概念最简单的理解就是,一个甜甜圈是如何通过牵引、拉伸和重塑变成一个咖啡杯的,整个过程不能进行切割。因此,就拓扑而言,甜甜圈和咖啡杯本质上是相同的,并且通过将相同的原理应用到电子的量子力学波函数中,就能产生拓扑绝缘体现象。这是一种高级量子物理学,实验过程非常复杂,并且靠普通的经验根本无法理解清楚。然而,Huber教授和他的合作者已经成功地将这些抽象的概念以一种具体和应用工程实际应用展示出来了。

  从量子到力学

  一开始,Sebastian Huber提了一个简单的问题:是否能够将拓扑绝缘体原理应用到机械系统中去?通常而言,量子力学和力学是两个不同的概念。在量子世界里,粒子可以穿越屏障,以波的形式影响着彼此,而普通的力学是用来处理桥梁问题或分析结构。然而,Huber和他的同事意识到,用来描述拓扑绝缘体量子特性的数学公式可以进行重新排列,看上去非常像广为人知的力学系统钟摆摆动数组。

  特别的是,力学公式也能预测所谓的边际效应。在这种状态下,电流(摆动,机械振动)沿着材料的边缘流动,而内部系统却没什么变化。Huber说:从理论上讲,这是一个比较完美的结论,但是如果能在应用中得以展示,就能够轻易地说服别人。

  说干就干,Huber和苏黎世联邦理工学院的技术人员,以及他的学生构建了一个由270个钟摆组成的力学模型,将其安放在矩形格子内,通过小弹簧相互连接。这些钟摆中,有两个受到机械的控制,意味着它们可以以特定频率和强度来回摆动。渐渐地,弹簧连接促使其他钟摆也开始摆动。最终,在一个特定频率下,物理学家发现了他们曾经预想的现象:矩形格子内的钟摆都停止运动了,但处于边缘的却还在有节奏地运动,力波是沿着矩形外围游走。话句话说,这些耦合的钟摆实现了拓扑绝缘体效应。

  机械手臂和声音透镜

  Huber教授将理论运用到现实做成了一个有用的工具。即便钟摆阵列是无序的,或者是钟摆矩形被移除,他们坚信耦合的钟摆的机械边缘状态还是会发生,这是稳定的(以技术语言说,就是拓扑保护)。这是一种非常有趣的现象,例如:这在声音运用和防振领域是非常重要的,机械手臂必须将物体准确地放在目标位置。另外,人们可以想象,有一种材料能够从同一个方向传播声音,或者,能将声音聚集在一处,这都将非常奇妙。

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