Metamaterial topológico guia ondas usando ondas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/12/2020

O novo metamaterial, que unifica sistemas fora do equilíbrio energético com materiais topológicos.
[Imagem: Coulais et al. - 10.1073/pnas.2010580117]

Conservação de energia

Uma lei da física bem conhecida afirma que a energia é sempre conservada: Ela pode ser transformada de uma forma para outra (rolando uma pedra colina abaixo, por exemplo, transformando a energia gravitacional em energia de movimento), mas não se perde e nem aparece vinda do nada.

No entanto, essa lei da conservação de energia só é válida em sistemas ideais, aqueles dos livros didáticos, que estão sempre perfeitamente isolados do seu ambiente.

Nos sistemas físicos da vida real - ou na prática, como se diz - a energia se perde, por exemplo, simplesmente porque se dissipa de um motor na forma de calor. O inverso também é verdadeiro, uma vez que hoje já é possível construir "materiais ativos", que de fato ganham energia do seu entorno.

Agora adicione a isso o campo da topologia, o estudo das formas em geral, tentando entender um sistema a partir de suas propriedades mais globais.

Você já deve ter ouvido falar dos isolantes topológicos, que vêm revolucionando a eletrônica, mas o comportamento desses materiais promete revolucionar muitos outros campos, da computação quântica à acústica e à mecânica.

Recentemente, houve uma explosão de atividade no meio acadêmico com o objetivo de tentar juntar as duas coisas, generalizando o conceito de topologia para cobrir sistemas da vida real, onde a energia pode ser perdida ou injetada. O principal objetivo dessa busca é observar experimentalmente um comportamento de ondas topológicas superficiais em sistemas que não conservam energia.

Agora, Ananya Ghatak e seus colegas da Universidade de Amsterdã, nos Países Baixos, conseguiram alcançar esse objetivo.

Partindo de um modelo teórico (topo), a equipe construiu um metamaterial real.
[Imagem: Coulais et al. - 10.1073/pnas.2010580117]

Metamaterial topológico

Em primeiro lugar, a equipe descobriu uma nova forma de "correspondência de limite de massa": Uma nova relação entre o interior de um material e o que acontece na sua superfície, relação esta que é particularmente válida para os sistemas não conservadores de energia. Eles demonstraram que uma determinada mudança na topologia dentro do material leva a uma mudança das localizações dos efeitos de onda nas suas bordas.

Em segundo lugar, a equipe tornou esta descoberta teórica muito concreta ao usar engrenagens, hastes, alavancas e pequenos robôs para construir um metamaterial, um material artificial que apresenta a propriedade que eles previram.

De fato, o melhor meio para se observar o efeito da topologia na propagação de ondas são justamente os metamateriais, que são sistemas compostos artificialmente, feitos como arranjos de unidades idênticas. Um metamaterial tem suas propriedades definidas não pela sua composição química, mas por sua disposição física. Neste caso, como as propriedades da superfície do material dependem do seu interior, a equipe criou um metamaterial topológico.

Em um cenário ideal, cada unidade idêntica no metamaterial comunica-se com seus vizinhos de forma simétrica, o que resulta na conservação de energia. Porém, no material real construído pelos pesquisadores, as unidades conversam com seus vizinhos direito e esquerdo de forma diferente, o que faz com que o sistema ganhe ou perca energia do ou para o ambiente.

Os físicos agora conseguiram mostrar que, mesmo neste caso, pode-se deixar as ondas viajarem pelo sistema que a topologia explica como essas ondas no interior afetam as ondas superficiais. Em particular, a topologia da configuração determina em que lado do material essas ondas de borda ocorrem.

Ondas que guiam ondas

As versões teórica e prática deste trabalho deverão ter um impacto significativo em muitos ramos da física, desde a mecânica quântica até sistemas que não estão em equilíbrio, e principalmente na construção de novos metamateriais projetados para situações que exigem que ondas direcionem outras ondas conforme a necessidade.

Segundo a equipe, esses futuros metamateriais terão aplicações em detecção (sensores) e coleta de energia, ou, por exemplo, na criação de novos materiais que amortecem choques e vibrações de maneira muito eficaz.

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