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(noticias nanowerk) Si camina como una partícula y habla como una partícula, es posible que todavía no sea una partícula. Un solitón topológico es un tipo especial de onda o dislocación que se comporta como una partícula: puede moverse pero no puede extenderse y desaparecer, como cabría esperar, por ejemplo, de una onda en la superficie de un estanque.
En un nuevo estudio publicado en Naturaleza (“Solitones topológicos no recíprocos en metamateriales activos”), investigadores de la Universidad de Amsterdam demuestran el comportamiento atípico de los solitones topológicos en un metamaterial robótico, algo que podría usarse en el futuro para controlar cómo los robots se mueven, perciben su entorno y comunicar.
Los solitones topológicos se pueden encontrar en muchos lugares y en muchas escalas de longitud diferentes. Aparecen, por ejemplo, en forma de dobleces en cables telefónicos enrollados y en moléculas grandes como las proteínas. En una escala completamente diferente, un agujero negro puede entenderse como un solitón topológico en el tejido del espacio-tiempo. Los solitones desempeñan un papel importante en los sistemas biológicos y son relevantes para el plegamiento de proteínas y la morfogénesis (el desarrollo de células u órganos).
Las propiedades únicas de los solitones topológicos (que pueden moverse pero siempre mantienen su forma y no pueden desaparecer repentinamente) son particularmente interesantes cuando se combinan con las llamadas interacciones no recíprocas. «En tal interacción, un agente A reacciona ante un agente B de manera diferente a como el agente B reacciona ante un agente A», explica Jonas Veenstra, estudiante de doctorado en la Universidad de Ámsterdam y primer autor del nuevo artículo.
Veenstra continúa: «Las interacciones no recíprocas son comunes en la sociedad y en los sistemas vivos complejos, pero la mayoría de los físicos las han pasado por alto durante mucho tiempo porque sólo pueden existir en un sistema fuera de equilibrio». Espero difuminar la línea entre materiales y máquinas y crear materiales animados o realistas”.
El Laboratorio de Materiales de Máquinas, donde Veenstra realiza investigaciones, se especializa en el desarrollo de metamateriales: materiales artificiales y sistemas robóticos que interactúan con su entorno de forma programable. El equipo de investigación decidió investigar la interacción entre interacciones no recíprocas y solitones topológicos hace casi dos años cuando los estudiantes Anahita Sarvi y Chris Ventura Meinersen decidieron continuar su proyecto de investigación para el curso de Maestría en Habilidades Académicas para la Investigación.
Los solitones se mueven como fichas de dominó.
El metamaterial que los investigadores desarrollaron para albergar solitones consiste en una cadena de varillas giratorias conectadas entre sí mediante bandas elásticas (consulte la imagen a continuación). Cada barra está montada en un pequeño motor que aplica una pequeña fuerza a la barra dependiendo de cómo esté orientada en relación con sus vecinas. Es importante destacar que la fuerza ejercida depende de qué lado está el vecino, lo que hace que las interacciones entre barras adyacentes no sean recíprocas. Finalmente, los imanes de las barras son atraídos por imanes colocados al lado de la cadena de modo que cada barra tiene dos posiciones preferidas, ya sea girada hacia la izquierda o hacia la derecha.
Los solitones en este metamaterial son los lugares donde se unen las secciones izquierda y derecha de la cadena. Los límites complementarios entre las secciones de la cadena en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj se denominan «antisolitones». Esto es similar a los dobleces de un antiguo cable telefónico en espiral, donde se unen las secciones del cable que giran en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj.
Cuando los motores de la cadena están apagados, los solitones y antisolitones se pueden mover manualmente en cualquier dirección. Sin embargo, tan pronto como se encienden los motores y, por tanto, las interacciones, los solitones y antisolitones se deslizan automáticamente a lo largo de la cadena. Ambos se mueven en la misma dirección, con la velocidad determinada por la antireciprocidad impuesta por los motores.
Veenstra: “Muchas investigaciones se han centrado en el movimiento de solitones topológicos mediante la aplicación de fuerzas externas. En los sistemas estudiados hasta ahora, se ha descubierto que los solitones y antisolitones se mueven naturalmente en direcciones opuestas. Sin embargo, si desea controlar el comportamiento de los (anti)solitones, es posible que desee dirigirlos en la misma dirección. Descubrimos que las interacciones no recíprocas logran exactamente esto. Las fuerzas no recíprocas son proporcionales a la rotación causada por el solitón, por lo que cada solitón produce su propia fuerza impulsora”.
El movimiento de los solitones se asemeja a una cadena de fichas de dominó que caen, cada una derribando a su vecina. Sin embargo, a diferencia del dominó, las interacciones no recíprocas garantizan que el “inclinamiento” sólo pueda ocurrir en una dirección. Y aunque las fichas de dominó sólo pueden caer una vez, un solitón que se mueve a lo largo del metamaterial simplemente establece la cadena para que un antisolitón se mueva en la misma dirección. En otras palabras, cualquier número de solitones y antisolitones alternos pueden moverse a través de la cadena sin necesidad de un «reinicio».
control de movimiento
Comprender el papel del forzamiento no recíproco no sólo nos ayudará a comprender mejor el comportamiento de los solitones topológicos en los sistemas vivos, sino que también puede conducir a avances tecnológicos. El mecanismo que crea los solitones unidireccionales autopropulsados descubierto en este estudio se puede utilizar para controlar el movimiento de diferentes tipos de ondas (conocido como guía de ondas) o para dotar a un metamaterial de una capacidad básica de procesamiento de información, como el filtrado.
Los robots del futuro también podrán utilizar solitones topológicos para funciones robóticas básicas como el movimiento, el envío de señales y la detección de su entorno. Estas funcionalidades no se controlarían entonces de forma centralizada, sino que resultarían de la suma de las partes activas del robot.
Con todo, el efecto dominó de los solitones en los metamateriales, que hoy es una interesante observación en el laboratorio, pronto podría desempeñar un papel en diversas áreas de la ingeniería y el diseño.
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