Команды из Амстердама и Бирмингема создали моторизованный метаматериал с вибрациями, сливающимися в кристалл времени

Исследователи из Амстердамского и Бирмингемского университетов наблюдали укрупнение волн в активных упругих метаматериалах, сообщает «Nature». Вибрации, возникающие случайно, растут по длине волны, периоду и амплитуде, пока весь материал не начинает колебаться в одном синхронном состоянии — кристалле времени nature.comNaturenature.comОткрыть источник ↗.

Авторы проверили эффект в одно- и двумерных мехатронных системах и описали динамическое масштабирование процесса. В обычных системах узоры, например магнитные домены, укрупняются за счёт диффузионной релаксации к равновесию; здесь процесс служит колебательным аналогом.

Моторизованные ячейки и нереципрокное правило

Каждая ячейка первого материала — три упругих шестиугольника, соединённых с платой. Датчик считывает сжатие каждого шестиугольника, а звуковой актуатор давит на него. Если шестиугольник сжат, то сжат и его сосед по часовой стрелке, а сосед против часовой растянут, то есть отклик зависит от направления (нереципрокен).

Команда собрала 37 ячеек в соты на стеклянной пластине с тефлоновым покрытием. Когда силу обратной связи подняли выше порога, при котором одиночная ячейка колеблется сама, после встряхивания каждая ячейка начала вибрировать с частотой около 30 раз в секунду. Затем длинная волна пошла по краю в одну сторону и вытеснила быстрое движение, и за несколько секунд все ячейки сдвигались вместе в одном ритме nature.comNaturenature.comОткрыть источник ↗.

В шести запусках из разных случайных толчков расстояние, на котором ячейки двигались синхронно, росло по степенному закону, а энергия вибрации увеличивалась. Математическая модель воспроизвела это на линии и на сетке. В симуляциях с шумом чем больше лист, тем дольше держался ритм.

Кольцо, трение и краевые волны

Второй материал, упругое кольцо с 24 моторами крутящего момента на воздушном столе, показал тот же эффект. Сначала доминировал шестилепестковый узор, затем пятилепестковый, потом четырёхлепестковый, и кольцо в итоге перешло в медленный цикл вокруг сплюснутой формы.

Укрупнение останавливается, когда нарушено сохранение импульса. Когда тефлон убрали, соты тёрлись о стекло, и короткие волны продолжали бегать по кругу, не сливаясь. В модели трение задаёт длину волны, на которой волны застревают nature.comNaturenature.comОткрыть источник ↗.

В симуляции диска из 5 813 ячеек укрупнение начиналось везде, но вскоре верх брали волны вдоль края, бегущие в одном направлении. На кольцеобразном диске внутренний и внешний края несли волны в противоположных направлениях. Авторы описывают это как нелинейный аналог хиральных топологических краевых мод вдали от равновесия.

Физические образцы были плоскими и только сдвигались. По словам авторов, поведение трёхмерного материала, который может изгибаться и скручиваться, не проверено, и это их следующая цель. Они также спрашивают, может ли один материал удерживать несколько устойчивых ритмов и переключаться между ними.