创新研究引入了一种实用的无模型方法探索材料的拓扑特性

阿姆斯特丹大学（University of Amsterdam）和里昂高等师范学院（École Normale Supérieure of Lyon）的研究人员展示了一种识别拓扑结构的无模型方法，从而能够利用纯实验方法发现新型拓扑材料。

拓扑学包含一个系统的属性，这些属性不会因任何"平滑变形"而改变。从这一相当正式和抽象的描述中，您或许可以看出，拓扑学最初是数学的一个分支。然而，在过去的几十年里，物理学家已经证明，拓扑学的数学基础可以产生非常真实的后果。从单个电子到大尺度洋流，拓扑效应可以在各种物理系统中找到。

举个具体的例子：在量子物质领域，拓扑学因所谓的拓扑绝缘体而声名鹊起。这些材料不会通过其主体导电，但电子会沿着其表面或边缘自由移动。这种表面传导将持续存在，不受材料缺陷的阻碍，只要不做一些剧烈的事情，比如改变材料的整个原子结构。此外，拓扑绝缘体表面或边缘上的电流具有固定的方向（取决于电子自旋），这也是由电子结构的拓扑性质所决定的。

确定机械超材料拓扑特性的全实验方法。超材料由转子（刚性旋转杆，红色）网络和弹性弹簧（蓝色）连接而成。通过探测单个转子并测量超材料中产生的运动，就有可能识别出行为类似于单个单元的"机械分子"。随后绘制出每个分子的"极化"图，就能轻松识别超材料的拓扑特征。右下角的图像通过摇晃整个超材料，证实了极化场所预测的软角模式的存在。资料来源：阿姆斯特丹大学。

这些拓扑特征可以有非常有用的应用，拓扑学已成为材料科学的前沿领域之一。除了确定自然界中的拓扑材料，平行研究工作还侧重于从底向上设计合成拓扑材料。被称为"超材料"的机械结构的拓扑边缘状态为在导波、传感、计算和滤波方面实现可靠响应提供了无与伦比的机会。

由于缺乏研究系统拓扑性质的实验方法，这一领域的研究进展缓慢。将数学模型与物理系统相匹配的必要性限制了我们对已有理论描述的材料的研究，并形成了识别和设计拓扑材料的瓶颈。为了解决这个问题，阿姆斯特丹大学机器材料实验室的郭晓飞和科伦坦-库莱斯与里昂高等师范学院的马塞洛-古斯曼、戴维-卡朋蒂埃和丹尼斯-巴托洛联手合作。

郭晓飞说："到目前为止，大多数实验都是为了证明理论或在期刊上展示理论预测。我们找到了一种无需建模就能测量未知机械超材料中受拓扑保护的软点或脆点的方法。我们的方法允许对材料特性进行实际探索和表征，而无需深入研究复杂的理论框架。"

研究人员用机械超材料展示了他们的方法，这种超材料由转子（可旋转的刚性杆）网络和弹性弹簧连接而成。这些系统中的拓扑结构可以使这种超材料的某些区域变得特别松软或坚硬。

巴托洛解释说："我们意识到，对材料进行局部选择性探测可以为我们提供所有必要信息，揭示结构中的软点或脆点，甚至是远离我们探测的区域。利用这一点，我们开发出了适用于各种材料和超材料的高度实用的协议。"

通过探测超材料中的单个转子并跟踪系统中由此产生的位移和伸长，研究人员确定了不同的"机械分子"：作为一个整体运动的转子和弹簧组。与静电系统类似，他们随后根据分子运动计算出了每个分子的有效"极化"。在存在拓扑特征的情况下，这种极化会突然改变方向，从而使固有拓扑结构易于识别。

研究人员将他们的方法应用于各种机械超材料，其中一些是以前研究中已知的拓扑结构，而另一些则是没有相关数学模型的新结构。结果表明，实验确定的极化在指出拓扑特征方面非常有效。

这种无模型方法不仅限于机械系统，同样的方法也可应用于光子或声学结构。它将使拓扑学为更广泛的物理学家和工程师所接受，并使构建超越实验室演示的功能材料变得更加容易。

编译来源：ScitechDaily