סימטרית מוביוס (Möbius), המבנה הטופולוגי המוליד רצועה מפותלת-למחצה בעלת שני משטחים אך בעלת צד אחד בלבד, מהווה מקור פליאה מאז גילויה בשנת 1858 ע"י המתמטיקאי הגרמני אוגוסט מוביוס. מזה שנים ארוכות שמדענים מנסים למצוא דוגמא לסימטרית מוביוס בחומרים טבעיים, ללא כל הצלחה.
כעת, צוות מדענים הצליח לאתר סימטרית מוביוס (Möbius, המונח בוויקיפדיה) בחומרי-על (metamaterials, המונח בוויקיפדיה) – חומרים המסונתזים מ"אטומים" ו"מולקולות" מלאכותיים המפגינים תכונות אלקטרומגנטיות הנובעות מהמבנה שלהם ולא מההרכב הכימי שלהם.
Xiang Zhang, מדען במעבדה הלאומית ע"ש לורנס ברקלי במשרד האנרגיה של ארה"ב, ופרופסור באוניברסיטת קליפורניה (ברקלי), הוביל מחקר שבו סימטרית מוביוס אלקטרומגנטית הוחדרה בהצלחה למערכות על-מולקולאריות של חומרים מרוכבים הבנויים ממתכות וחלקים לא-מוליכים. תגלית זו פותחת את הדלת בפני מציאת וניצול תופעה חדשה בעל-חומרים.
"צפינו באופן ניסיוני בסימטריה טופולוגית חדשנית במערכות אלקטרומגנטיות של על-חומרים שהינה שוות-ערך לסימטריה המבנית של רצועת מוביוס, כאשר מספר הפיתולים נשלט ע"י שינויים בסימן הצימוד האלקטרומגנטי שבין העל-אטומים," מסביר החוקר. "בנוסף, הדגמנו שעל-חומרים בעלי סימני צימוד שונים מציגים תדירויות תהודה (רזוננס) התלויות במספר הפיתולים, אך לא במיקום שלהם. ממצא זה מאמת את אופייה הטופולוגי של הסימטריה."
ע"י השימוש בעל-אטומים מתכתיים בעלי תהודה, שאורגנו כמהוד מפוצל-טבעת מצומד, החוקרים הצליחו להרכיב משלושה על-אטומים זהים אלו טרימרים. באמצעות תכנון מדויק של הצימודים האלקטרומגנטיים שבין שלושת על-האטומים, טרימרים אלו הפגינו סימטרית מוביוס (מסומלת כ- C3) – כלומר סימטריה מעגלית מסוג מוביוס דרך שלושה סיבובים של 120 מעלות. פיתולי המוביוס נובעים משינוי בסימניהם של קבועי הצימוד האלקטרומגנטיים שבין על-האטומים המרכיבים את הטרימר.
"סימטרית המוביוס הטופולוגית שמצאנו בטרימרים העל-מולקולאריים שלנו מהווה סימטריה חדשה שאינה מופיעה בחומרים או מולקולות טבעיים," מציין החוקר. "מאחר וקבועי הצימוד של על-מולקולות ניתנים לשינוי באופן שרירותי מערך חיובי לערך שלילי ללא כל מגבלות, מספר פיתולי המוביוס שאנו מסוגלים לייצר הוא בלתי-מוגבל. המשמעות היא כי מבנים שהיו קיימים עד היום בעולם המתמטי בלבד, יוכלו להתקבל באופן ממשי באמצעות עיצובים שונים של על-מולקולות."
ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Physical Review Letters.