Khi bạn gõ vào quả dưa hấu để xem nó đã chín hay chưa, bạn đang sử dụng sóng âm để phát hiện cấu trúc của vật liệu bên trong. Các nhà vật lý tại Đại học Chicago đã sử dụng khái niệm tương tự để khám phá cách sóng âm truyền qua các cấu trúc có hoa văn và phát hiện ra điều kỳ lạ: các cấu trúc hoàn toàn khác nhau có thể phát ra âm thanh giống nhau. Đó là một điều ngạc nhiên, giống như khi gõ vào quả dưa và quả dứa rồi phát hiện ra chúng phát ra âm thanh giống nhau. Vincenzo Vitelli, giáo sư vật lý tại Viện James Franck, cho biết: "Điều khiến chúng tôi phấn khích là khám phá này không thể giải thích được bằng các khái niệm hiện có, chẳng hạn như tính đối xứng không gian".
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra tính đối ngẫu, một sự đối xứng "ẩn" gắn kết các hệ thống dường như không liên quan với nhau. Những phát hiện của họ, được công bố trên tạp chí Nature, một ngày nào đó có thể giúp thiết kế các siêu vật liệu hoặc thậm chí là các thiết bị nhỏ có thể xử lý thông tin được mã hóa trong sóng âm. Trong nhiều năm qua, vật lý đã phát triển một khuôn khổ để dự đoán tính chất của các vật thể dựa trên tính đối xứng không gian của chúng. "Khi quan sát mô hình phân tử mêtan bằng nhựa, các nguyên tử hydro của nó tạo thành một tứ diện đều", tác giả đầu tiên Michel Fruchart, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ, cho biết.
Điều này có thể cho bạn biết nhiều điều về cách phân tử rung động. Tương tự như vậy, mô hình Lego đã giúp các nhà nghiên cứu khám phá ra tính hai mặt của nó. Sẽ thế nào nếu những tính chất đối ngẫu này có thể được khai thác để mang lại cho vật liệu những đặc tính mà nếu không có chúng thì vật liệu sẽ không có? Trong vài năm trở lại đây, có rất nhiều sự quan tâm đến một lĩnh vực gọi là siêu vật liệu. Và đây là những công trình nhân tạo được thiết kế với những đặc điểm thường không có trong tự nhiên. Ví dụ, người ta đã dành nhiều suy nghĩ để tạo ra "áo tàng hình" bằng cách sử dụng vật liệu tổng hợp, có khả năng bẻ cong ánh sáng đi vào nhờ hình dạng bên trong của chúng.
Các nhà nghiên cứu hình dung việc sử dụng phương pháp này để lấy một hạt như phonon (về cơ bản là một hạt nhiệt) và cung cấp cho nó những đặc tính mà bình thường nó không có. Electron có một tính chất gọi là "spin" được dùng làm cơ sở cho một số thiết bị điện tử công nghệ cao mới nhất. Phonon không có spin, nhưng nếu các nhà khoa học có thể định hình cấu trúc vật liệu để tạo cho phonon một "spin giả", chúng ta có thể sử dụng chúng trong các thiết bị phonon - tương tự như thiết bị điện tử nhưng có khả năng khác, chẳng hạn như kiểm soát nhiệt. Bằng cách di chuyển các phonon, người ta có thể xử lý thông tin được lưu trữ trong spin giả của chúng.
Các nhà nghiên cứu gọi khái niệm này là "spintronics cơ học". Các nhà khoa học cho biết họ hy vọng tính đối ngẫu sẽ quan trọng như tính đối xứng hiện tại trong việc thiết kế siêu vật liệu. Phương pháp này cũng có hiệu quả với các loại sóng khác, không chỉ riêng phonon, chẳng hạn như sóng ánh sáng và sóng vật chất. Tính đối ngẫu là một phép ánh xạ toán học cho thấy mối liên hệ giữa các hệ thống dường như không liên quan trong hầu hết mọi nhánh của vật lý. Một hệ thống được ánh xạ lên chính nó thông qua phép biến đổi kép được gọi là tự đối ngẫu và thể hiện các tính chất đáng chú ý, được minh họa bằng tính bất biến theo tỷ lệ của nam châm Ising tại các điểm quan trọng.
Nghiên cứu này cho thấy tính đối ngẫu có thể củng cố tính đối xứng của ma trận động (hay Hamiltonian), do đó cho phép thiết kế các siêu vật liệu với các đặc tính mới nổi thoát khỏi sự phân tích của lý thuyết nhóm tiêu chuẩn. Để minh họa, các nhà nghiên cứu xem xét mạng lưới Kagome xoắn, là những cấu trúc cơ học có thể định hình lại và thay đổi hình dạng thông qua cơ chế sụp đổ. Người ta quan sát thấy một cặp cấu hình khác nhau dọc theo cấu trúc, cho thấy cùng một phổ rung động và mô đun đàn hồi liên quan. Người ta cũng chỉ ra rằng những tính chất khó hiểu này phát sinh từ tính đối ngẫu giữa các cặp cấu hình ở cả hai phía của điểm tới hạn cơ học.
Điểm tới hạn tương ứng với cấu trúc tự đối ngẫu có tính đàn hồi đẳng hướng ngay cả khi không có tính đối xứng không gian và phổ suy biến kép trên toàn bộ vùng Brillouin. Sự thoái hóa quang phổ bắt nguồn từ một phiên bản của định lý Kramers trong đó bất biến đảo ngược thời gian fermionic được thay thế bằng tính đối xứng ẩn xuất hiện tại các điểm tự đối ngẫu. Các chế độ bình thường của hệ thống tự đối ngẫu thể hiện các pha hình học phi Abelian ảnh hưởng đến sự lan truyền bán cổ điển của gói sóng, dẫn đến phản ứng cơ học không giao hoán. Kết quả hứa hẹn một công nghệ spintronics cơ học và tính toán hoàn chỉnh bằng cách cho phép thao tác tức thời các spin tổng hợp được mang bởi phonon.
Bokeyuan｜www.bokeyuan.net
Vườn Boco | Nghiên cứu/Từ: Đại học Chicago
Tạp chí tham khảo Nature
DOI: 10.1038/s41586-020-1932-6
BoKeYuan｜Khoa học, công nghệ, nghiên cứu, khoa học phổ thông
Theo dõi [Bokeyuan] để xem thêm nhiều khoa học vũ trụ đẹp hơn
