超越自然界的超材料：受挫、非定向和非交换的秘密

你可能听说过超材料这个词，它指的是一些人工设计的材料，它们具有一些自然界中不存在的特殊性质，比如负折射率、隐形效果、超导电性等。这些材料的奇妙之处在于，它们的性质不仅取决于它们的组成元素，还取决于它们的结构和几何形状。

受挫超材料是一类特殊的超材料，它们的结构和几何形状导致了一种称为“受挫”的现象。受挫是指当一个系统的不同部分试图以不同的方式最小化能量时，它们之间会发生冲突，导致系统无法达到一个唯一的最低能量状态。你可以想象一张纸，如果你把它平铺在桌子上，它就是一个最低能量的状态，没有任何弯曲或皱褶。但是如果你把它揉成一团，它就会变成一个受挫的状态，因为它的不同部分都试图保持平坦，但是又被其他部分所限制，导致它的表面出现很多不规则的弯曲和皱褶。

受挫超材料的一个例子是一种由三角形的单元组成的二维网格，每个单元都可以沿着两个方向旋转，类似于一个风车。这种网格的受挫之处在于，如果你想让所有的单元都沿着同一个方向旋转，你会发现这是不可能的，因为每个单元都有三个相邻的单元，而这三个单元又有不同的旋转方向。这就导致了这种网格的能量无法达到最小值，而是存在很多不同的能量相等的状态，这些状态之间的差别只在于一些局部的旋转。

非定向序和非交换响应是一些新的物理概念，它们是由一些法国和荷兰的科学家在研究受挫超材料时提出的。这些概念是基于拓扑学的，拓扑学是一门研究物体的形状和连通性的数学分支。