La plupart des technologies reposent aujourd'hui sur des dispositifs qui transportent de l'énergie sous forme de lumière, radio, ou des ondes mécaniques. Cependant, ces canaux de guidage d'ondes sont sensibles au désordre et aux dommages, soit dans la fabrication, soit après leur déploiement dans des environnements difficiles.

Des chercheurs de l'Université de l'Illinois au Grainger College of Engineering d'Urbana-Champaign ont démontré expérimentalement une nouvelle façon de transporter l'énergie même à travers des guides d'ondes défectueux, et même si le trouble est un phénomène transitoire dans le temps. Ces travaux pourraient conduire à des appareils beaucoup plus robustes qui continuent de fonctionner malgré les dommages.

Gaurav Bahl, professeur agrégé en science et génie mécanique, et Taylor Hughes, professeur de physique, ont publié leurs conclusions dans Communication Nature . Ce travail important a été dirigé par le chercheur postdoctoral Inbar Grinberg, également en sciences mécaniques et en génie.

Leur article, "Pompage temporel robuste dans un isolant topologique magnéto-mécanique, " détaille la démonstration d'une pompe topologique, un système qui produit à la demande, transport robuste de l'énergie mécanique lorsqu'elle est périodiquement entraînée dans le temps. Les chercheurs ont construit la pompe topologique à l'aide d'un matériau artificiel magnéto-mécanique unidimensionnel, composé de ressorts, masses, et des aimants.

L'inspiration pour la pompe est venue du travail du physicien lauréat du prix Nobel David Thouless de 1983, dans lequel il a proposé un schéma pour réaliser le transport quantifié de particules individuelles, par exemple. électrons, par un potentiel périodique, par exemple. une chaîne d'atomes. Le principe sous-jacent est de rendre graduel, modulations périodiques de la structure de la chaîne en fonction du temps. A la fin de chaque période du cycle de pompage, une seule particule doit entrer dans la chaîne à une extrémité, et simultanément une seule particule doit sortir de l'autre extrémité de la chaîne. Cela se produit de manière fiable même si la chaîne d'atomes présente un certain désordre modéré.

Ce type de système est appelé pompe car sa description technique évoque une vision d'une vis d'Archimède, une pompe à eau à manivelle avec des références historiques remontant à l'Egypte ancienne.

Les chercheurs de Grainger ont repris l'idée de Thouless et l'ont mise en œuvre dans une pompe topologique mécanique. Une distinction notable est que leur pompe transporte de l'énergie mécanique, pas de particules ou d'eau, sur l'ensemble de la chaîne en une seule période du cycle de pompage. De plus, la pompe fonctionne avec succès même si la chaîne présente une quantité importante de désordre dans l'espace ou dans le temps. Pour compléter l'analogie avec une pompe à vis à eau, les chercheurs ont alimenté leur démonstration avec un vilebrequin rotatif.

"Finalement, nous aimerions étendre cette démonstration pour produire des guides d'ondes tout aussi résistants pour la lumière, sonner, et l'électricité, " expliqua Bahl. " Le rêve est de mettre un signal à une extrémité d'un canal unidimensionnel, et avoir un transport garanti jusqu'à l'autre extrémité, de manière robuste chaque fois que l'utilisateur le souhaite. Nous pensons que les pompes topologiques sont un excellent moyen de le faire."

La fibre optique et les lignes de cuivre constituent l'épine dorsale de toutes nos technologies de communication. Présentement, dommages modérés le long de ces canaux de communication, par ex. tout sauf une déconnexion complète - peut réduire la force du signal et même produire des réflexions indésirables, qui affectent négativement la quantité de données que ces canaux peuvent transporter.

L'équipe de recherche pense que le pompage topologique pourrait être une excellente solution dans ces scénarios.