Si camina como una partícula y habla como una partícula… aún así podría no ser 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 se esperaría de, digamos, una onda en la superficie de un lago. En un nuevo estudio publicado en NaturalezaInvestigadores de la Universidad de Ámsterdam demuestran el comportamiento atípico de los solitones topológicos en un metamaterial robótico, algo que en el futuro podría usarse para controlar cómo se mueven los robots, perciben su entorno y se comunican.

Los solitones topológicos se pueden encontrar en muchos lugares y en muchas escalas de longitud diferentes. Por ejemplo, toman la forma de pliegues. cables telefónicos en espiral y moléculas grandes, como las proteínas. En una escala muy diferente, un Agujero negro puede entenderse como un solitón topológico en la estructura del espacio-tiempo. Los solitones juegan un papel importante en los sistemas biológicos, siendo relevantes para plegamiento de proteínas Es morfogénesis – el desarrollo de células u órganos.

Las características 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 el agente A», explica Jonas Veenstra, estudiante de doctorado en la Universidad de Ámsterdam y primer autor de la nueva publicación.

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 descuidado durante mucho tiempo porque sólo pueden existir en un sistema que no está en equilibrio. Al introducir interacciones no recíprocas en los materiales, esperamos difuminar las líneas entre materiales y máquinas y crear materiales animados o realistas”.

El Laboratorio de Materiales de Maquinaria donde Veenstra realiza sus investigaciones se especializa en diseñar metamateriales: materiales artificiales y sistemas robóticos que interactúan con su entorno de forma programable. El equipo de investigación decidió estudiar la interacción entre interacciones no recíprocas y solitones topológicos hace casi dos años, cuando los entonces estudiantes Anahita Sarvi y Chris Ventura Meinersen decidieron continuar su proyecto de investigación para el curso de maestría «Habilidades académicas para la investigación».

El metamaterial robótico con un solitón y un antisolitón situados en los límites entre las secciones izquierda y derecha de la cadena. Cada varilla azul está conectada a sus vecinas con bandas elásticas rosas, y un pequeño motor debajo de cada varilla hace que las interacciones entre las varillas vecinas no sean recíprocas. Crédito: Jonas Veenstra/UvA

Solitones moviéndose como fichas de dominó

El metamaterial huésped del solitón desarrollado por los investigadores consiste en una cadena de varillas giratorias unidas entre sí mediante bandas elásticas (consulte la figura siguiente). Cada varilla está montada en un pequeño motor que aplica una pequeña fuerza a la varilla dependiendo de cómo esté orientada en relación con sus vecinas. Es importante tener en cuenta que la fuerza aplicada depende de qué lado está el vecino, lo que hace que las interacciones entre varillas vecinas no sean recíprocas. Finalmente, los imanes de las varillas son atraídos por imanes colocados cerca de la cadena de modo que cada varilla tenga dos posiciones preferidas, girada hacia la izquierda o hacia la derecha.

Los solitones en este metamaterial son los lugares donde se unen las secciones de la cadena que giran hacia la izquierda y hacia la derecha. Los límites complementarios entre las secciones de la cadena que giran hacia la derecha y hacia la izquierda se denominan «antisolitones». Esto es análogo a los dobleces de un antiguo cable telefónico enrollado, donde se unen 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 empujar manualmente en cualquier dirección. Sin embargo, una vez que los motores –y, por tanto, las interacciones recíprocas– se encienden, los solitones y antisolitones se deslizan automáticamente a lo largo de la corriente. 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 mover solitones topológicos mediante la aplicación de fuerzas externas. En los sistemas estudiados hasta ahora, se ha descubierto que los solitones y antisolitones viajan 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 precisamente eso. Las fuerzas no recíprocas son proporcionales a la rotación causada por el solitón, por lo que cada solitón genera su propia fuerza impulsora”.

El movimiento de los solitones es similar 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 «derroque» 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 corriente de modo que un antisolitón se mueve a través de él en la misma dirección. En otras palabras, cualquier número de solitones y antisolitones alternos pueden moverse a través de la cadena sin necesidad de “reinicio”.

Control de movimiento

Comprender el papel de la conducción no recíproca 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 genera los solitones autónomos unidireccionales descubierto en este estudio podría usarse 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 movimiento, envío de señales y detección del entorno. Estas funcionalidades entonces no se controlarían desde un punto central, sino que surgirían de la suma de las partes activas del robot.

En resumen, el efecto dominó de los solitones en metamateriales, ahora una interesante observación de laboratorio, pronto podría comenzar a desempeñar un papel en diferentes ramas de la ingeniería y el diseño.

Referencia: “Solitones topológicos no recíprocos en metamateriales activos” por Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayun, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Meinersen y Corentin Coulais, 20 de marzo de 2024, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07097-6