Metode eksperimental baru yang dikembangkan oleh para peneliti memungkinkan identifikasi sifat topologi dalam material tanpa bergantung pada model matematika, menyederhanakan penelitian dan memperluas potensi penerapan topologi di berbagai bidang. Kredit: SciTechDaily.com
Penelitian inovatif memperkenalkan metode praktis dan bebas model untuk mengeksplorasi sifat topologi dalam material, meningkatkan cakupan dan efisiensi studi topologi.
Cabang matematika yang dikenal sebagai topologi telah menjadi landasan fisika modern berkat sifat luar biasa – dan yang terpenting dapat diandalkan – yang dapat diberikan pada material atau sistem. Sayangnya, mengidentifikasi topologi sistem, atau bahkan merancang sistem baru, umumnya merupakan proses yang membosankan dan memerlukan pencocokan sistem fisik dengan model matematika.
Para peneliti di Universitas Amsterdam dan École Normale Supérieure dari Lyon telah mendemonstrasikan metode bebas model untuk mengidentifikasi topologi, memungkinkan penemuan material topologi baru menggunakan pendekatan eksperimental murni.
Evolusi Topologi Dari Matematika ke Fisika
Topologi mencakup sifat-sifat suatu sistem yang tidak dapat diubah oleh 'deformasi halus' apa pun. Seperti yang mungkin Anda ketahui dari deskripsi yang agak formal dan abstrak ini, topologi dimulai sebagai cabang matematika. Namun, selama beberapa dekade terakhir, fisikawan telah menunjukkan bahwa matematika yang mendasari topologi dapat mempunyai konsekuensi yang sangat nyata. Efek topologi dapat ditemukan di berbagai sistem fisik, mulai dari elektron individu hingga arus laut berskala besar.
Sebagai contoh nyata: di bidang materi kuantum, topologi menjadi terkenal berkat apa yang disebut isolator topologi. Bahan-bahan ini tidak menghantarkan listrik melalui sebagian besarnya, namun elektron bergerak bebas di sepanjang permukaan atau tepinya. Konduksi permukaan ini akan tetap ada, tidak terhalang oleh ketidaksempurnaan material, selama Anda tidak melakukan sesuatu yang drastis seperti mengubah seluruh struktur atom material. Selain itu, arus pada permukaan atau tepi isolator topologi mempunyai arah tertentu (tergantung spin elektron), yang juga dipengaruhi oleh sifat topologi struktur elektroniknya.
Metode yang sepenuhnya eksperimental untuk menentukan karakter topologi metamaterial mekanis. Metamaterial terdiri dari jaringan rotor (batang berputar kaku, merah) yang dihubungkan oleh pegas elastis (biru). Dengan mendorong masing-masing rotor dan mengukur pergerakan yang dihasilkan dalam metamaterial, adalah mungkin untuk mengidentifikasi 'molekul mekanis' yang berperilaku seperti satu kesatuan. Dengan memetakan 'polarisasi' setiap molekul, fitur topologi metamaterial mudah diidentifikasi. Gambar kanan bawah mengonfirmasi keberadaan mode sudut floppy – seperti yang diprediksi oleh bidang polarisasi – dengan mengguncang seluruh metamaterial. Kredit: Universitas Amsterdam.
Fitur topologi seperti itu dapat mempunyai aplikasi yang sangat berguna, dan topologi telah menjadi salah satu garis depan ilmu material. Selain mengidentifikasi material topologi di alam, upaya penelitian paralel berfokus pada perancangan material topologi sintetik dari bawah ke atas. Keadaan tepi topologi suatu struktur mekanis dikenal sebagai 'bahan meta' menghadirkan peluang tak tertandingi untuk mencapai respons yang andal dalam pandu gelombang, penginderaan, komputasi, dan pemfilteran.
Model Matematika yang Tidak Praktis
Penelitian di bidang ini diperlambat oleh kurangnya sarana eksperimental untuk menyelidiki sifat topologi suatu sistem. Kebutuhan untuk mencocokkan model matematika dengan sistem fisik membatasi penelitian pada materi yang telah kita miliki deskripsi teoretisnya, dan menjadi hambatan dalam mengidentifikasi dan merancang materi topologi. Untuk mengatasi masalah ini, Xiaofei Guo dan Corentin Coulais dari Machine Materials Laboratory di Universitas Amsterdam berkolaborasi dengan Marcelo Guzmán, David Carpentier, dan Denis Bartolo dari ENS Lyon.
“Sampai saat ini, sebagian besar eksperimen dimaksudkan untuk membuktikan teori atau menyajikan prediksi teoretis dalam jurnal,” kata Guo. “Kami menemukan cara untuk mengukur titik lunak atau rapuh yang dilindungi secara topologi pada metamaterial mekanis yang tidak diketahui tanpa memerlukan pemodelan. Pendekatan kami memungkinkan eksplorasi praktis dan karakterisasi sifat material tanpa menggali kerangka teori yang rumit.”
Penerapan Praktis dan Implikasinya di Masa Depan
Para peneliti mendemonstrasikan metode mereka dengan metamaterial mekanis yang terdiri dari jaringan rotor (batang kaku yang dapat berputar) yang dihubungkan oleh pegas elastis. Topologi pada sistem ini dapat membuat beberapa wilayah metamaterial terutama floppy atau rigid.
Bartolo menjelaskan, “Kami menyadari bahwa investigasi lokal yang selektif dapat memberikan kami semua informasi yang diperlukan untuk mengungkap titik lemah atau rapuh dalam suatu struktur, bahkan di area yang jauh dari investigasi kami. Dengan menggunakan ini, kami mengembangkan protokol yang sangat praktis yang dapat diterapkan pada berbagai material dan metamaterial.”
Dengan mendorong masing-masing rotor ke dalam metamaterial dan melacak perpindahan dan perpanjangan yang dihasilkan dalam sistem, para peneliti mengidentifikasi 'molekul mekanis' yang berbeda: kelompok rotor dan pegas yang bergerak sebagai satu kesatuan. Dalam analogi sistem elektrostatik, mereka kemudian menentukan 'polarisasi' efektif setiap molekul, dihitung dari pergerakan molekul. Polarisasi ini akan tiba-tiba berubah arah dengan adanya fitur topologi, membuat topologi yang melekat mudah diidentifikasi.
Para peneliti menerapkan metode mereka pada berbagai metamaterial mekanis, beberapa di antaranya diketahui bersifat topologi dari penelitian sebelumnya, sementara yang lain merupakan struktur baru tanpa model matematika terkait. Hasilnya menunjukkan bahwa polarisasi yang ditentukan secara eksperimental sangat efektif dalam mengungkap fitur topologi.
Pendekatan tanpa model ini tidak terbatas pada sistem mekanis; metode yang sama dapat diterapkan pada struktur fotonik atau akustik. Hal ini akan membuat topologi dapat diakses oleh lebih banyak fisikawan dan insinyur, dan akan mempermudah pembuatan material fungsional yang melampaui demonstrasi laboratorium.
Referensi: “Karakterisasi bebas model dari keadaan tepi dan sudut topologi dalam jaringan mekanis” oleh Marcelo Guzman, Xiaofei Guo, Corentin Coulais, David Carpentier dan Denis Bartolo, 17 Januari 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2305287121
NewsRoom.id
