Pendel verhalten sich wie topologischer Isolator

Topologische Isolatoren sind Materialien, die nur auf ihrer Oberfläche den elektrischen Strom leiten und sich in ihrem Inneren wie ein Isolator verhalten. Roman Süsstrunk und Sebastian Huber von der ETH Zürich formten die mathematischen Formeln, mit denen sich die Quanteneigenschaften eines topologischen Isolators beschreiben lassen, nun so um, dass sie aussehen wie die eines wohlbekannten mechanischen Systems – nämlich einer Reihe von schwingenden Pendeln. Ein mechanisches Modell bestätigte schließlich die Analogie. Über ihre Ergebnisse berichten die beiden Forscher in der Zeitschrift „Science“.

Die mechanischen Formeln sagen genau wie ihr quantenmechanisches Pendant bestimmte Zustände voraus, bei denen sich entlang der Ränder eine mechanische Schwingung bewegt, während das Innere des Systems vollkommen unbeteiligt bleibt. Süsstrunk und Huber bauten daraufhin ein mechanisches Modell aus 270 in einem rechteckigen Gitter angeordneten Pendeln, die über kleine Federn miteinander verbunden waren. Zwei der Pendel können dabei mechanisch angeregt, also mit einer bestimmten Frequenz und Stärke hin- und hergeschüttelt, werden. Durch die Federkopplungen werden nach und nach auch die anderen Pendel in Schwingung versetzt. Bei einer bestimmten Anregungsfrequenz sahen die Physiker dann, was sie sich erhofft hatten: Die Pendel innerhalb des Rechtecks standen still und diejenigen am Rand schwangen rhythmisch hin und her. Die gekoppelten Pendel verhielten sich also tatsächlich wie ein topologischer Isolator.

Bei dieser Materialklasse ist der Ladungstransport zudem sehr unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Dies scheint ebenfalls für die mechanischen Randzustände der gekoppelten Pendel zu gelten: Sie bleiben auch dann bestehen, wenn man Unordnung in die Reihe der Pendel bringt oder sogar einen Teil des Rechtecks entfernt. Solche Eigenschaften wären beispielsweise für die Schall- und Vibrationsisolierung interessant, sagen die Forscher, etwa in der industriellen Produktion, wo Roboterarme exakt und zitterfrei Bauteile platzieren müssen.

Zudem sind Materialien denkbar, die Schall nur in eine Richtung transportieren oder wie eine optische Linse bündeln. Dazu müssen die mechanischen Systeme allerdings deutlich kompakter werden, denn die Pendel sind momentan einen halben Meter lang und wiegen je ein halbes Kilo. Die Ingenieure seien aber bereits dabei, ein Gerät zu bauen, das ohne die vielen Pendel auskommt und zudem nur wenige Zentimeter misst.