作者:安娜·德明，物理
（同organic）有机 一种主动反馈控制的超材料
尽管超材料元件之间的耦合通常是固定的，但结合预编程控制器可以实现非牛顿力学相互作用
信用:Lea Sirota 视角的改变可以创造奇迹
根据特拉维夫大学研究员罗尼·伊兰的说法，对于使用拓扑学概念来解释材料性质的范例来说，这一点尤其正确，“这些概念目前正在彻底改变凝聚态物理”
虽然拓扑物理学最早出现在凝聚态物理中，但这一概念现在已经扩展到许多其他领域，包括光学和光子学，以及声学和其他机械系统，在这些领域，事情变得有些棘手
尽管机械波系统可以为量子系统的工作提供有价值的见解，包括拓扑现象，但采用这种方法的研究人员已经用牛顿第三运动定律碰壁了，该定律规定每个动作都必须导致相等和相反的反应
一些量子系统根本不遵守这种互易性，使得它们很难在机械系统中仿真
然而，以色列特拉维夫大学的合作者现在已经找到了一种方法来模拟机械系统中的非牛顿行为，从而为一些更难处理的拓扑量子系统开发一种机械实现，这可能为机械和量子拓扑系统提供全新的见解
该团队汇集了来自几个不同领域的专业知识——伊兰在凝聚态理论方面的专业知识、亚伊尔·肖可夫在软物质方面的专业知识、尤阿夫·拉希尼在拓扑光子学方面的专业知识，以及整合这项工作的缺失环节——李·西罗塔在机械工程和控制理论方面的背景
“不知何故，当丽来到这里并开始谈论这些事情时，我们都收敛了，”拉希尼说
量子霍尔丹模型的模拟
信用:Lea Sirota 打破对称 当试图设计量子系统的机械类似物时，出现的复杂情况本质上源于对称性破缺
从空间角度来看，这可能意味着系统中组件之间的相互作用在不同的方向上表现不同，例如二维系统中量子自旋霍尔效应和量子谷霍尔效应的核心
然而，在机械系统中模仿这些效果不是问题，因为你可以很容易地玩几何
时间上的对称性破缺变得更加复杂
在微观层面，力学是时间可逆的
考虑一部两个粒子相向运动、碰撞和反弹的电影——倒放，你仍然会得到一部两个粒子相向运动、碰撞和反弹的物理上可信的电影
然而，例如，当物体与磁场相互作用时产生的量子效应打破了这种时间对称性——将电影倒放，画面中的某些东西就不会叠加
模仿这些效应意味着引入某种非互易性，这样对每一个动作就不再有相等和相反的反应，这是机械系统所不能做到的
肖克夫解释说:“人们使用一些复杂的实现来绕过这一障碍，例如，引入旋转流或旋转陀螺仪以及最终会模拟量子系统中自旋的其他复杂性。”
这里的问题是，在不旋转的物体上添加陀螺仪或其他东西，会增加你试图模仿的系统中不存在的自由度
因此，虽然系统可能在某些方面开始像非互易量子态一样做出反应，但很难避免这些辅助自由度带来的不必要的额外影响
在这里，西罗塔在控制理论方面的专业知识有着巨大的优势
修正量子霍尔丹模型的模拟
信用:Lea Sirota 虚拟互动 正如西罗塔解释的那样，控制理论是机械工程中的一个领域，它使用数学工具来设计算法，描述系统对某种力或驱动的响应行为
它允许在自动驾驶或辅助驾驶汽车中发现的那种干预
例如，虽然传统上，汽车前部的塑料保险杠可以吸收碰撞的冲击，但在自动驾驶或辅助车辆中，摄像头可以测量到前面汽车的距离，并在距离太近时进行制动控制
正如肖克夫指出的那样，这已经是在模仿一种非互惠的相互作用，因为在前面的汽车中没有与保险杠碰撞时相同和相反的反应
因此，研究人员能够应用控制理论的原理来设计一种主动的机械超材料，该材料能够在元件之间的相互作用中实现类似的非互易性
他们首先模拟了一种由一系列相连的质量单位组成的机械超材料，这些单位只能上下移动——每个质量一个自由度
然而，系统的动力学不是由牛顿运动定律来控制的，而是在每个质量上放置一个反馈控制器，它测量相邻质量的位置，计算质量在受到相互作用的量子非互易表达式支配时将如何响应，然后应用正确的激励来获得响应
拉希尼说:“如果你愿意，我们可以用虚拟互动代替(弹簧的)自然互动。”
对主动反馈控制的机械超材料的模拟表明，它可以模拟量子霍尔丹模型，该模型描述了在没有磁场的情况下的量子霍尔效应，这是使用被动机械元件难以模拟的
更重要的是，它做到了“没有旋转的部分”，正如西罗塔强调的，并补充道，“你可以在同一个平台上模仿不同的拓扑效果
“研究人员还能够通过简单地调整控制软件来模拟修改后的霍尔丹模型，以及伪pin多极拓扑绝缘体
虽然在实现一维主动机械超材料方面取得了一些成功，但这项工作为具有主动控制反馈的二维机械超材料开辟了新的领域
接下来，西罗塔正致力于利用声波实现超材料，这种超材料更容易控制，并可能为量子力学提供直观的见解
这里，声波在两个平行板之间通过，其中一个板包括使用扬声器和麦克风来传递虚拟非互易交互的主动反馈控制元件
除了实际能力之外，该系统还可以提供隔音和隔音效果；研究人员看到了他们的机械模拟增加对物质拓扑状态理解的潜力
肖可夫说:“如果事情是一对一的，那就没意思了。”
“但是当这种映射不完美的时候，新的有趣的现象出现了
" “此外，”拉希尼补充道，“机械系统可以可控地引入许多在凝聚态物质中很难或不可能实现的成分——相互作用、非线性、动态势、边界等等
"
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