Physiker entdecken Sie eine neue Art des Kristalls inspiriert von Satellitenbahnen

Die Definition eines Kristalls beruht auf dem Begriff der Symmetrie: die Atome Line-up in hoch bestellt, sich wiederholende Waben-Muster und die Symmetrie sollte offensichtlich sein, je nachdem, wie Sie es betrachten. Physiker haben nun eine neue Art von Kristall inspiriert durch die Umlaufbahnen der Satelliten gestolpert.

Wie beschrieben in einem neuen Papier in Physical Review Letters, anstatt ausstellenden Symmetrie in der Struktur – die Art und Weise seiner Atome angeordnet sind – diese neue Art der Kristall Symmetrie liegt in seiner Partikel bewegen sich wie. In der Tat bemerken nicht Sie die Symmetrie in ein Standbild des Kristalls wahrscheinlich überhaupt. Nur dann, wenn Sie einen Film gemacht, der im Laufe der Zeit alles, was atomic Motion Capture würde die versteckten "Choreographie" schließlich offenbart sich.

Latham Boyle, ein theoretischer Physiker am Perimeter Institut für theoretische Physik in Waterloo, Ontario, stolperte über dieses seltsame Klasse von Objekten, während Grübeln ein ganz anderes Problem: wie man die Fähigkeiten eines zukünftigen weltraumgestützten Gravitationswellendetektor Detektors zu verbessern – einen mögliche Erben, die kürzlich ins Leben gerufene LISA Pathfinder. LISA besteht aus drei Satelliten, die Hinterkante der Erde, wie es die Sonne umkreist Prellen Laserstrahlen hin und her zu einander in einer dreieckigen Formation. Eine Gravitationswelle Verabschiedung, dass ständigen Kommunikation stören würden, und die Störung von hochempfindlichen Detektoren abgeholt werden würde.

LISA ist ein wunderschön gestaltetes Experiment – Boyle ist schnell sein Loblied gesungen, aber es schadet nie zu einem Brainstorming Ideen für zukünftige Missionen. Mit vier Satelliten statt drei könnten die Physiker zu bestimmen, genauer gesagt eine Gravitationswelle Amplitude (sein Volumen oder Höhe, wenn wir es zu einer Sound- oder Ozean Welle verglich bist), Polarisation (die Ebene, entlang derer es vibriert), und aus welcher Richtung es fährt. Aber es ist eine viel komplizierter (und teurer) technische Herausforderung, ein solches Instrument zu bauen. Und wie Boyle bald entdeckt, finden eine symmetrische vier Satellitenumlaufbahn erwies sich als unmöglich.

Schließlich hatte er einen Durchbruch: er hat versucht, eine statische (feste) Form der Symmetrie Dynamik (bewegen) Objekten zuweisen. Was ist, wenn er eine entsprechende dynamische Symmetrie finden konnte? Zu Boyles Überraschung funktionierte es. Er fand, dass ein vier-Satelliten-System eine sehr hohe dynamische Symmetrie hat – in der Tat, es ist ein Cousin, das Tetraeder, das erste der platonischen Körper.

Lisas drei Satelliten umkreisen einander erscheinen, aber dies ist das Ergebnis einer optischen Täuschung. Sie sind wirklich alle umkreisen die Sonne "mit ihren Bahnen geschickt angeordnet, so dass sie zu allen Zeiten, etwa ein gleichseitiges Dreieck bilden", sagte Boyle Gizmodo. "Das gilt für unsere sehr symmetrisch vier Satellitenumlaufbahn; die vier Satelliten sind wirklich auf vier unabhängigen Kreisbahnen um einen zentralen Körper."

Von da an war er begeistert. "Ich erkannte, es war ein sehr interessantes Objekt in seinem eigenen Recht — viel interessanter als das ursprüngliche Problem, das mich geführt hatte," sagte er. "Also ich nachzudenken, Nachweis von Gravitationswellen zu beenden und stattdessen begann darüber nachzudenken, ob ich irgendwelche anderen Satellitenbahnen finden konnte, die symmetrisch in diese interessante neue Art waren."

Boyle geschehen zu schweigen von seiner Entdeckung einen dynamischen Analog/das Tetraeder zu besuchenden Kosmologe namens Kendrick Smith (jetzt ein Mitglied der Fakultät am Perimeter), Frage mich, laut, gäbe es vielleicht andere solche Bahnen entsprechend den Rest der platonischen Körper. Smith kam auf eine geniale mathematische Lösung um alle möglichen symmetrischen Umlaufbahnen, unabhängig von der Anzahl der Satelliten zu identifizieren. Sie nannte sie symmetrische Sat-Schwärme.

Es läuft alles auf ein allgemeineres Phänomen, dass Boyle Anrufe choreografischer Reihenfolge. Und es gilt nicht nur für weltraumgestützte Satellitensysteme, sondern auch zur Modellierung der mikroskopischen Struktur von kristallinen Materialien in erdgebundenen Labors – eine Klasse der sogenannten choreografischen Kristalle.

"Anstatt Tänze von Satelliten in kreisförmigen Umlaufbahn um die Sonne, wir stattdessen denken konnte analog Tänze von Elektronen oder Kerne Film durch 2D oder 3D Raum entlang der gradlinigen Flugbahnen" Boyle sagte. "Und die gleichen mathematischen Techniken, mit denen uns systematisch alle choreographierten Satellitenbahnen auch verwendet werden, könnte um diese allgemeinere choreografierte Tänze zu finden finden." Als Phillip Ball im Fokus Physikschreibt:

[I] Magine zwei Skater bewegt gleichzeitig Nord-Süd- und Ost-West durch die Mitte des quadratischen Eisbahn und immer wieder umkehren natürlich, wenn sie die Kanten erreichen. Die Skater haben eine höhere Choreographie, wenn sie aus der Phase bewegen – ein erreichen der Rand während der andere verläuft durch die Mitte – als wenn sie in Phase vorbei durch das Zentrum im selben Augenblick. Im ersten Fall erfassen die Bewegungen die volle Symmetrie eines Quadrats, da der gleiche Satz von Drehungen und Spiegelungen, zusammen mit Zeitverschiebungen, das System unverändert belassen wird. Der zweite Fall hat weniger Symmetrien. Im Allgemeinen sagt Boyle, gibt es eine sehr große Anzahl von choreographischen Kristallen, aber nur wenige verfügen über sehr hohe Choreographie.

So weit, choreografische Kristalle bleiben in erster Linie mathematische Objekte, aber Boyle und Smith denke, dass solche Strukturen in der Natur gefunden werden konnte. Ihr Papier schlägt sogar eine einfache Beugung-Experiment, um sie zu finden, da es nicht nur wie die Atome im Raum im Inneren eines Kristalls angeordnet sind, sondern wie bewegen sich die Atome im Laufe der Zeit offenbaren würde. Oder vielleicht könnte sie künstlich hergestellt werden.

Und an alles denken begann mit dem Versuch, einen bessere Gravitationswellen-Detektor zu entwerfen. "Es ist wie wir eine Spur von glitzernden Dinge auf dem Boden bis, folgte ein Jahr später, wir nachgeschlagen und fanden wir waren angekommen, irgendwo sehr interessant, aber sehr weit von wo wir anfingen," sagte Boyle.

Referenz:

Boyle, L., Khoo, J.Y und Smith, K. (2016) "symmetrischen Sat-Schwärme und choreografischen Kristalle" Physical Review Letters 116:015503.

Bilder: Boyle Et Al./Perimeter Institute