Synthetically non-Hermitian nonlinear wave-like behavior in a topological mechanical metamaterial

超材料 非线性系统 物理 厄米矩阵 拓扑(电路) 拓扑绝缘体 经典力学 数学 量子力学 组合数学
作者
Haning Xiu,Ian Frankel,Harry Liu,Kai Qian,Siddhartha Sarkar,Brianna C. Macnider,Zi Chen,Nicholas Boechler,Xiaoming Mao
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:120 (18) 被引量:6
标识
DOI:10.1073/pnas.2217928120
摘要

Topological mechanical metamaterials have enabled new ways to control stress and deformation propagation. Exemplified by Maxwell lattices, they have been studied extensively using a linearized formalism. Herein, we study a two-dimensional topological Maxwell lattice by exploring its large deformation quasi-static response using geometric numerical simulations and experiments. We observe spatial nonlinear wave-like phenomena such as harmonic generation, localized domain switching, amplification-enhanced frequency conversion, and solitary waves. We further map our linearized, homogenized system to a non-Hermitian, nonreciprocal, one-dimensional wave equation, revealing an equivalence between the deformation fields of two-dimensional topological Maxwell lattices and nonlinear dynamical phenomena in one-dimensional active systems. Our study opens a regime for topological mechanical metamaterials and expands their application potential in areas including adaptive and smart materials and mechanical logic, wherein concepts from nonlinear dynamics may be used to create intricate, tailored spatial deformation and stress fields greatly transcending conventional elasticity.
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