Der Alltag umfasst die drei Dimensionen (3D), entlang einer X-, Y- und Z-Achse oder nach oben und unten, links und rechts sowie vorwärts und rückwärts. Aber in den letzten Jahren haben Wissenschaftler wie Guoliang Huang, Inhaber des Huber and Helen Croft Chair in Engineering an der University of Missouri, eine „vierte Dimension“ (4D) oder synthetische Dimension als Erweiterung unserer aktuellen physischen Realität erforscht.
Nun ist es Huang und einem Team von Wissenschaftlern im Structured Materials and Dynamics Lab am MU College of Engineering gelungen, ein neues synthetisches Metamaterial mit 4D-Fähigkeiten zu entwickeln, einschließlich der Fähigkeit, Energiewellen auf der Oberfläche eines festen Materials zu steuern. Diese Wellen, sogenannte mechanische Oberflächenwellen, sind von grundlegender Bedeutung dafür, wie sich Vibrationen entlang der Oberfläche fester Materialien ausbreiten.
Die Studie „Smart Patterning for Topological Pumping of Elastic Surface Waves“ wurde in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
Während die Entdeckung des Teams zu diesem Zeitpunkt lediglich ein Baustein ist, den andere Wissenschaftler übernehmen und bei Bedarf anpassen können, hat das Material auch das Potenzial, für größere Anwendungen im Bauwesen, bei mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) usw. skaliert zu werden Landesverteidigungszwecke.
„Herkömmliche Materialien sind auf nur drei Dimensionen mit einer X-, Y- und Z-Achse beschränkt“, sagte Huang. „Aber jetzt bauen wir Materialien in der synthetischen Dimension oder 4D, was es uns ermöglicht, den Energiewellenpfad so zu manipulieren, dass er genau dorthin verläuft, wo er hin soll, wenn er von einer Ecke eines Materials zur anderen wandert.“
Diese bahnbrechende Entdeckung, topologisches Pumpen genannt, könnte eines Tages zu Fortschritten in der Quantenmechanik und im Quantencomputing führen, indem sie die Entwicklung höherdimensionaler quantenmechanischer Effekte ermöglicht.
„Der größte Teil der Energie – 90 % – eines Erdbebens entsteht entlang der Erdoberfläche“, sagte Huang. „Durch die Abdeckung einer kissenartigen Struktur mit diesem Material und die Platzierung auf der Erdoberfläche unter einem Gebäude könnte dies möglicherweise dazu beitragen, dass die Struktur während eines Erdbebens nicht einstürzt.“
Die Arbeit baut darauf auf frühere Forschung von Huang und Kollegen Dies zeigt, wie ein passives Metamaterial den Weg von Schallwellen steuern kann, wenn sie von einer Ecke eines Materials zur anderen wandern.
Mehr Informationen:
Shaoyun Wang et al., Intelligente Strukturierung zum topologischen Pumpen elastischer Oberflächenwellen, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh4310