物性物理学：フラストレートしたメタマテリアルにおける非配向性秩序と非可換応答
Nature 618, 7965 doi: 10.1038/s41586-023-06022-7
原子結晶から動物の群れまで、自然界における秩序の出現は、自発的対称性の破れという概念で捉えられている。しかし、対称性の破れた相が幾何学的な制約によってフラストレートすると、物理学のこの基礎に疑念が生じる。こうしたフラストレーションは、スピンアイス、閉じ込められたコロイド懸濁液、しわくちゃの紙片などの多様な系の振る舞いを決定付ける。一般的にこうした系は、強く縮退した不均一な基底状態を示すため、相秩序に関するギンツブルグ–ランダウのパラダイムから逃れる。今回我々は、実験、シミュレーション、理論を組み合わせて、大域的にフラストレートした物質におけるトポロジカル秩序の予想外の形、すなわち「非配向性秩序」を明らかにする。我々は、離散ℤ2対称性を自発的に破る大域的にフラストレートしたメタマテリアルを設計することによって、この概念を実証する。こうしたメタマテリアルの平衡は、必然的に不均一で、広範に縮退していることが観測された。我々は、弾性体の理論を非配向性秩序パラメーター束に一般化することによって、この観測結果を説明する。そして我々は、非配向性平衡が、秩序パラメーターが消失しなければならない場所である、トポロジカルに保護されたノードとラインの位置が任意であることに起因して、広範に縮退していることを示す。我々はまた、非配向性秩序が、座屈したメビウスの帯やクラインの壺などそれ自体が非配向性である対象にも、さらに広く当てはまることを示す。さらに我々は、時間依存の局所的摂動を、非配向性秩序を有するメタマテリアルに加えることによって、トポロジカルに保護された機械式メモリーを設計し、非可換応答を実現して、そうしたメモリーが負荷の軌跡のブレイディングの痕跡を保持することを示す。我々は、非配向性が、力学だけでなく、コロイド科学、フォトニクス、磁性、原子物理学などの多様な分野でさまざまなスケールにわたって情報を効果的に保存できる、メタマテリアルのロバストな設計原理となると予想する。
