超材料領(lǐng)域徹底改變了我們對如何操縱電磁波和機(jī)械激發(fā)的理解。通過亞波長尺度的結(jié)構(gòu)工程，科學(xué)家可以設(shè)計(jì)出自然界中沒有的材料特性。一個(gè)特別令人興奮的研究領(lǐng)域是探索這些人工材料中拓?fù)涔伦拥臐摿Α＿@些孤立波穩(wěn)定且保持形狀，有望用于從軟機(jī)器人到量子計(jì)算的應(yīng)用。然而，一個(gè)關(guān)鍵的限制一直存在：傳統(tǒng)的孤子驅(qū)動(dòng)機(jī)制缺乏方向性。最近，一篇發(fā)表在《自然》雜志的論文，探討了活性超材料中非互易拓?fù)涔伦拥淖钚峦黄啤?/p>

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孤子是一類迷人的孤立波，它們在介質(zhì)中傳播而不改變形狀。想象一下水面上的波包，普通波會(huì)隨著傳播而分散，但孤子會(huì)保持其完整性。這種顯著的穩(wěn)定性源于非線性和介質(zhì)中色散之間的微妙平衡。拓?fù)涔伦痈M(jìn)一步，它們的穩(wěn)定性不僅歸功于材料特性，還歸功于它們固有的拓?fù)涮卣鳌Ｔ撎卣髋c空間的基本數(shù)學(xué)特性相關(guān)聯(lián)，并確保孤子無法被連續(xù)地轉(zhuǎn)換掉——它是系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)中的一個(gè)扭結(jié)。拓?fù)涔伦拥睦哟嬖谟诟鱾€(gè)科學(xué)領(lǐng)域，從磁鏈中的扭結(jié)到超導(dǎo)體中的量子渦旋。

活性超材料

超材料是人工設(shè)計(jì)的材料，經(jīng)過工程設(shè)計(jì)可表現(xiàn)出自然界中不易找到的特性。通過在納米尺度上精心構(gòu)建材料，科學(xué)家們可以操縱光或聲波與材料的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率或隱形等特性。活性超材料通過結(jié)合外部能源或控制機(jī)制將這一概念進(jìn)一步發(fā)展，這允許實(shí)時(shí)操縱材料的特性，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)材料無法實(shí)現(xiàn)的功能。

在大多數(shù)材料中，如果波可以從點(diǎn) A 傳播到點(diǎn) B，那么具有相同特性的波也可以向相反方向 (B 到 A) 傳播。這個(gè)原理，被稱為牛頓第三定律，適用于許多物理相互作用。然而，活性超材料可以打破這種互易性。通過引入非互易相互作用，其中材料的響應(yīng)取決于波傳播的方向，科學(xué)家可以實(shí)現(xiàn)單向波導(dǎo)或隔離器等功能。

合并概念

新研究將拓?fù)涔伦拥拿匀颂匦耘c活性超材料的可控性結(jié)合在一起。通過設(shè)計(jì)具有非互易相互作用的活性超材料，科學(xué)家已經(jīng)能夠創(chuàng)建非互易拓?fù)涔伦印＿@些孤子表現(xiàn)出獨(dú)特的特性：它們可以被驅(qū)動(dòng)到特定方向。這種方向控制為操縱超材料中的能量流和信息傳遞開辟了令人興奮的可能性。

這些非互易孤子的理論框架的發(fā)展依賴于構(gòu)建特定的活性機(jī)械超材料。這些材料由相互連接的振蕩器組成，這些振蕩器表現(xiàn)出非互反耦合，并受到雙穩(wěn)態(tài)電位(具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的電位)的影響。這種設(shè)計(jì)允許有控制地創(chuàng)建和操縱沿首選方向移動(dòng)的孤子。

潛在應(yīng)用

控制拓?fù)涔伦臃较虻哪芰Ω鱾€(gè)科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域具有重要意義。以下是一些潛在應(yīng)用：

• 單向波導(dǎo)：非互易孤子可用于設(shè)計(jì)僅在一個(gè)方向上傳輸信息的波導(dǎo)。這對于開發(fā)新穎的通信技術(shù)或創(chuàng)建強(qiáng)大的光學(xué)電路至關(guān)重要。

• 定向能量傳輸：孤子的方向控制可用于在超材料內(nèi)有效地傳輸能量。這可能應(yīng)用于微型能量收集裝置或?yàn)槲⑿蜋C(jī)器人供電。

• 軟機(jī)器人：孤子的局部和可控特性使其成為操縱軟機(jī)器人結(jié)構(gòu)的理想選擇。通過將這些孤子嵌入軟材料中，研究人員可以創(chuàng)建具有更復(fù)雜和可控運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)器人。www.ws46.com