Les solitons topologiques peuvent être trouvés à de nombreux endroits et à de nombreuses échelles de longueur différentes. Par exemple, ils prennent la forme de plis dans des cordons téléphoniques enroulés et de grosses molécules telles que des protéines. À une échelle très différente, un trou noir peut être compris comme un soliton topologique dans la structure de l’espace-temps. Les solitons jouent un rôle important dans les systèmes biologiques, étant importants pour le repliement des protéines et la morphogenèse, c'est-à-dire le développement de cellules ou d'organes.

Les caractéristiques uniques des solitons topologiques, à savoir qu'ils peuvent se déplacer mais conservent toujours leur forme et ne peuvent pas disparaître soudainement, sont particulièrement intéressantes lorsqu'elles sont combinées avec des interactions dites non réciproques. "Dans une telle interaction, un agent A réagit à un agent B différemment de la manière dont l'agent B réagit à l'agent A", explique Jonas Veenstra, titulaire d'un doctorat. étudiant à l'Université d'Amsterdam et premier auteur de la nouvelle publication.

Veenstra poursuit :« Les interactions non réciproques sont monnaie courante dans la société et les systèmes vivants complexes, mais ont longtemps été négligées par la plupart des physiciens car elles ne peuvent exister que dans un système hors équilibre. En introduisant des interactions non réciproques dans les matériaux, nous espérons brouiller les pistes. frontière entre les matériaux et les machines et pour créer des matériaux animés ou réalistes."

Le laboratoire de matériaux de machines, où Veenstra effectue ses recherches, se spécialise dans la conception de métamatériaux :des matériaux artificiels et des systèmes robotiques qui interagissent avec leur environnement de manière programmable.

L'équipe de recherche a décidé d'étudier l'interaction entre les interactions non réciproques et les solitons topologiques il y a près de deux ans lorsque Anahita Sarvi et Chris Ventura Meinersen, alors étudiants, ont décidé de poursuivre leur projet de recherche dans le cadre du cours de maîtrise « Compétences académiques pour la recherche ». /P>

Solitons se déplaçant comme des dominos

Le métamatériau hébergeant des solitons développé par les chercheurs est constitué d'une chaîne de tiges rotatives reliées les unes aux autres par des bandes élastiques. Chaque tige est montée sur un petit moteur qui applique une petite force à la tige, en fonction de son orientation par rapport à ses voisines.

Il est important de noter que la force appliquée dépend du côté du voisin, ce qui rend les interactions entre tiges voisines non réciproques. Enfin, les aimants sur les tiges sont attirés par des aimants placés à côté de la chaîne de telle sorte que chaque tige ait deux positions préférées, tournées soit vers la gauche, soit vers la droite.

Les solitons de ce métamatériau sont les endroits où se rencontrent les sections de la chaîne tournées à gauche et à droite. Les frontières complémentaires entre les sections de chaîne tournées à droite et à gauche sont alors appelées « anti-solitons ». Ceci est analogue aux plis d'un cordon téléphonique enroulé à l'ancienne, où les sections du cordon tournant dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre se rejoignent.

Lorsque les moteurs de la chaîne sont éteints, les solitons et anti-solitons peuvent être poussés manuellement dans les deux sens. Cependant, une fois les moteurs – et donc les interactions réciproques – activés, les solitons et anti-solitons glissent automatiquement le long de la chaîne. Ils se déplacent tous deux dans la même direction, avec une vitesse fixée par l'anti-réciprocité imposée par les moteurs.

Veenstra déclare :« De nombreuses recherches se sont concentrées sur le déplacement des solitons topologiques en appliquant des forces externes. Dans les systèmes étudiés jusqu'à présent, les solitons et les anti-solitons se déplacent naturellement dans des directions opposées. Cependant, si vous souhaitez contrôler le comportement de ( anti-)solitons, vous voudrez peut-être les conduire dans la même direction."

"Nous avons découvert que les interactions non réciproques permettent exactement cela. Les forces non réciproques sont proportionnelles à la rotation provoquée par le soliton, de sorte que chaque soliton génère sa propre force motrice."

Le mouvement des solitons s’apparente à une chaîne de dominos tombant, chacun renversant son voisin. Cependant, contrairement aux dominos, les interactions non réciproques garantissent que le « renversement » ne peut se produire que dans une seule direction.

Et tandis que les dominos ne peuvent tomber qu'une seule fois, un soliton se déplaçant le long du métamatériau établit simplement la chaîne permettant à un anti-soliton de se déplacer dans la même direction. En d'autres termes, n'importe quel nombre de solitons et d'anti-solitons alternés peuvent se déplacer dans la chaîne sans qu'il soit nécessaire de les « réinitialiser ».

Contrôle de mouvement

Comprendre le rôle de la conduite non réciproque nous aidera non seulement à mieux comprendre le comportement des solitons topologiques dans les systèmes vivants, mais pourra également conduire à des avancées technologiques. Le mécanisme qui génère les solitons unidirectionnels autonomes découverts dans cette étude peut être utilisé pour contrôler le mouvement de différents types d’ondes (appelé guidage d’ondes) ou pour doter un métamatériau d’une capacité de base de traitement de l’information telle que le filtrage. /P>

Les futurs robots pourront également utiliser des solitons topologiques pour des fonctionnalités robotiques de base telles que le mouvement, l'envoi de signaux et la détection de leur environnement. Ces fonctionnalités ne seraient alors pas pilotées depuis un point central mais émergeraient plutôt de la somme des parties actives du robot.

Dans l'ensemble, l'effet domino des solitons dans les métamatériaux, désormais une observation intéressante en laboratoire, pourrait bientôt commencer à jouer un rôle dans différentes branches de l'ingénierie et du design.

L'étude est publiée dans la revue Nature .