设计细菌主动物质中的拓扑边缘态

拓扑学提供了一种理解通过来自非平凡波数拓扑的受保护边缘态中实现稳健传输的统一框架。然而，将这些概念扩展到主动物质方面仍在实验上大多未被探索，现有实现局限于由手性主动粒子组成的系统。本文使用具有非平凡波数拓扑的微加工几何结构，在密集细菌悬浮液中实现拓扑边缘态，这代表着原型性的主动物质系统。鼓励前面的理论研究，我们构建了一个由单向 kagome 网络组成的方向性网络，网络由齿轮形状的通道组成，可诱导细菌的单向流动。在该网络中，我们发现细菌密度的清晰边缘局域化。基于细菌传输模型和实验测量的速度场的稳态分析揭示了特征集体流如何产生边缘局域化。该模型还揭示了观察到的边缘态的拓扑来源。通过调节微加工网络的几何结构，我们确定方向性通道设计和网络手性是边缘态出现所必需的关键设计特征。我们的结果为建立此类主动物质系统中拓扑传输的控制和设计原则铺平了道路。