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 sistem topologi, 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 dapat Anda ketahui dari uraian yang agak formal dan abstrak ini, topologi memulai kehidupannya 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 memiliki arah tertentu (tergantung pada putaran elektron), yang juga dipengaruhi oleh sifat topologi struktur elektronik.
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 rotor individu dan mengukur pergerakan yang dihasilkan dalam metamaterial, adalah mungkin untuk mengidentifikasi ‘molekul mekanis’ yang berperilaku seperti satu kesatuan. Dengan memetakan ‘polarisasi’ masing-masing molekul, fitur topologi metamaterial mudah diidentifikasi. Gambar kanan bawah mengonfirmasi keberadaan mode sudut floppy – seperti yang diperkirakan 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 dari struktur mekanis yang dikenal sebagai ‘bahan meta‘ menghadirkan peluang tak tertandingi untuk mencapai respons yang andal dalam pemanduan gelombang, penginderaan, komputasi, dan pemfilteran.
Model Matematika yang Tidak Praktis
Penelitian di bidang ini diperlambat oleh kurangnya cara eksperimental untuk menyelidiki sifat topologi suatu sistem. Perlunya mencocokkan model matematika dengan sistem fisik membatasi penelitian pada material yang deskripsi teoritisnya sudah kita miliki, dan membentuk hambatan untuk mengidentifikasi dan merancang material topologi. Untuk mengatasi masalah ini, Xiaofei Guo dan Corentin Coulais dari Laboratorium Material Mesin di Universitas Amsterdam bekerja sama dengan Marcelo Guzmán, David Carpentier, dan Denis Bartolo dari ENS Lyon.
“Sampai saat ini, sebagian besar eksperimen dimaksudkan untuk membuktikan teori atau menampilkan 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 dalam sistem ini dapat membuat beberapa wilayah metamaterial tersebut, khususnya floppy atau kaku.
Bartolo menjelaskan, “Kami menyadari bahwa penyelidikan lokal secara selektif dapat memberi kami semua informasi yang diperlukan untuk mengungkap titik lemah atau rapuh dalam struktur, bahkan di wilayah yang jauh dari penyelidikan kami. Dengan menggunakan ini, kami mengembangkan protokol yang sangat praktis yang dapat diterapkan pada beragam 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 dari penelitian sebelumnya sebagai topologi, sementara yang lain merupakan struktur baru tanpa model matematika terkait. Hasilnya menunjukkan bahwa polarisasi yang ditentukan secara eksperimental sangat efektif dalam menunjukkan fitur topologi.
Pendekatan tanpa model ini tidak hanya terbatas pada sistem mekanis; metode yang sama dapat diterapkan pada struktur fotonik atau akustik. Hal ini akan membuat topologi dapat diakses oleh lebih banyak ahli fisika 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
