Прорыв в четвертом измерении: новый метаматериал контролирует энергетические волны

Автор: Университет Миссури-Колумбия, 3 августа 2023 г.

Ученые из Университета Миссури создали синтетический 4D-метаматериал, который может управлять энергетическими волнами на твердых поверхностях, что потенциально приведет к прогрессу в квантовой механике, квантовых вычислениях и смягчению последствий землетрясений.

Ученые разработали синтетический метаматериал, который направляет механические волны по определенному пути, что добавляет инновационный уровень контроля к четырехмерной реальности, также известной как синтетическое измерение.

Повседневная жизнь включает в себя три измерения или 3D — вдоль осей X, Y и Z, или вверх и вниз, влево и вправо, вперед и назад. Но в последние годы такие ученые, как Гуолян Хуан, заведующий кафедрой инженерных наук Хубера и Хелен Крофт в Университете Миссури, исследовали «четвертое измерение» (4D), или синтетическое измерение, как расширение нашей нынешней физической реальности.

Недавно Хуанг вместе с командой ученых из Лаборатории структурированных материалов и динамики Инженерного колледжа MU добился значительного прорыва. Они успешно создали новый синтетический метаматериал с возможностями 4D. Сюда входит возможность управлять энергетическими волнами на поверхности твердого материала. Эти энергетические волны, называемые механическими поверхностными волнами, имеют фундаментальное значение для распространения вибраций по поверхности твердых материалов.

Визуализация нового синтетического метаматериала с возможностями 4D, разработанного учеными из Университета Миссури. Он включает в себя возможность управлять энергетическими волнами на поверхности твердого материала. Фото: Гуолян Хуан/Университет Миссури.

Хотя открытие команды на данном этапе является просто строительным блоком, который другие ученые могут взять и адаптировать по мере необходимости, материал также имеет потенциал для масштабирования для более крупных приложений, связанных с гражданским строительством, микроэлектромеханическими системами (МЭМС) и использование национальной обороны.

Гуолян Хуан. Фото: Гуолян Хуан/Университет Миссури.

«Обычные материалы ограничены только тремя измерениями с осями X, Y и Z», — сказал Хуанг. «Но теперь мы создаем материалы в синтетическом измерении, или 4D, что позволяет нам манипулировать траекторией энергетических волн, чтобы они шли именно туда, куда мы хотим, когда они перемещаются от одного угла материала к другому».

This groundbreaking discovery, called ‘topological pumping,’ could potentially lead to advancements in quantum mechanics and quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> квантовые вычисления. Это связано с развитием квантово-механических эффектов более высокого измерения, которые это может позволить.

«Большая часть энергии — 90% — от землетрясения происходит на поверхности Земли», — сказал Хуанг. «Поэтому, покрыв подушку-подобную конструкцию этим материалом и поместив ее на поверхность Земли под зданием, это потенциально может помочь предотвратить обрушение конструкции во время землетрясения».

Работа основана на предыдущих исследованиях, проведенных Хуангом и его коллегами. Их более ранние исследования продемонстрировали, как пассивный метаматериал может контролировать путь звуковых волн, когда они перемещаются от одного угла материала к другому.

Reference: “Smart patterning for topological pumping of elastic surface waves” by Shaoyun Wang, Zhou Hu, Qian Wu, Hui Chen, Emil Prodan, Rui Zhu and Guoliang Huang, 28 July 2023, Science Advances<em>Science Advances</em> is a peer-reviewed, open-access scientific journal that is published by the American Association for the Advancement of Science (AAAS). It was launched in 2015 and covers a wide range of topics in the natural sciences, including biology, chemistry, earth and environmental sciences, materials science, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"Science Advances.DOI: 10.1126/sciadv.adh4310/p>