Khám phá những đối xứng ẩn dấu, mở ra con đường mới cho thiết kế vật liệu
Khi gõ gõ vào một quả dưa để kiểm tra xem liệu nó đã chín chưa, cũng là lúc anh đang sử dụng các sóng âm thanh để kiểm tra cấu trúc của vật liệu bên trong. Các nhà vật lý ở trường đại học Chicago đã áp dụng một ý tưởng tương tự để khám phá cách sóng âm thanh di chuyển qua những cấu trúc được trang trí khi chúng hiển thị một sự kỳ cục: những cấu trúc hoàn toàn khác biệt nhưng lại dường như giống hệt nhau.
Đây là một điều vô cùng ngạc nhiên – một loại giống như gõ vào một quả dưa và quả dứa, và phát hiện ra chúng tạo ra âm thanh giống hệt nhau.
“Những gì khiến chúng tôi thú vị là chúng tôi không thể giải thích phát hiện của chúng tôi sử dụng những khái niệm đang tồn tại như các đối xứng hình cầu”, Vincenzo Vitelli, một giáo sư vật lý ở Viện James Franck, nói.
Những gì mà Vitelli và nhóm nghiên cứu của ông đã khám phá ra là một sự đối ngẫu, một đối xứng “bị dấu kín” liên kết với những hệ nhìn từ bên ngoài không hề có liên quan. Xuất bản trên Nature, có thể nghiên cứu “Dualities and non – Abelian mechanics” của họ một ngày nào đó giúp thiết kế các siêu vật liệu (metamaterial) hoặc ngay cả các kính hiển vi mà quá trình xử lý thông tin được mã hóa trong các sóng âm.
Nhiều năm qua, các nhà vật lý đã dựng lên một khung dự đoán các tính năng của một vật thể chứa các đối xứng cầu trong nó. “Nhìn vào một mô hình nhựa của một phân tử: các nguyên tử hydro của nó hình thành một tứ diện đều. Điều này nói với anh rất nhiều về cách phân tử này chuyển động”, Michel Fruchart, một nhà nghiên cứu postdoct và là tác giả thứ nhất của công bố, nói. Trong một cảm hứng tương tự, các mô hình LEGO đã giúp các tác giả của nghiên cứu này khám phá ra các đối ngẫu của chúng.
Sẽ là điều gì nếu những đối ngẫu đó có thể được khám phá để đem lại cho một vật liệu với các tính năng có thể không loại vật liệu nào có được?
Trong vài năm qua, đã có một sự bùng nổ mối quan tâm vào một lĩnh vực là siêu vật liệu. Đó là những cấu trúc nhân tạo được thiết kế để có được những tính chất mà thông thường không xuất hiện trong vật liệu tự nhiên, ví dụ như nhiều người đã nghĩ đến việc hiện thực hóa một “áo khoác vô hình” bằng việc sử dụng các vật liệu composite có khả năng bẻ cong ánh sáng chiếu đến quanh chúng bằng hiệu quả của đặc tính hình học nội tại của chúng.
Fruchart và Vitelli đã hình dung ra việc sử dụng cách tiếp cận này để đưa một hạt như phonon – một hạt về cơ bản của truyền nhiệt – và trao cho nó những đặc tính mà không thường không có.
Các electron có một đặc tính là “spin” được sử dụng như một nền tảng cho một vài loại thiết bị điện tử công nghệ cao gần đây. Các phonon không có spin, nhưng nếu các nhà khoa học có thể định hình cấu trúc của các vật liệu để trao cho các phonon một “spin giả”, họ có thể có tiềm năng sử dụng chúng trong các thiết bị phonon – tương tự như thiết bị điện tử, nhưng với các tố chất khác biệt, như kiểm soát nhiệt chẳng hạn.
“Bằng việc di chuyển các phonon xung quanh, có thể xử lý thông tin lưu trữ trong “giả spin’ của chúng”, Vitelli nói.
Họ gọi ý tưởng này là “mechanical spintronics”. Các nhà khoa học nói, họ hi vọng đối ngẫu có thể chứng tỏ tầm quan trọng trong thiết kế các siêu vật liệu như các đối xứng hiện nay.
“Cách tiếp cận của chúng tôi cũng ứng dụng trên các sóng khác, không chỉ các phonon, ví dụ các sóng ánh sáng và sóng vật chất”, Fruchart nói.
Thanh Phương dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2020-02-scientists-hidden-symmetries-avenues-material.html
