Durchbruch in der vierten Dimension: Neues Metamaterial kontrolliert Energiewellen

Von der University of Missouri-Columbia, 3. August 2023

Wissenschaftler der University of Missouri haben ein synthetisches 4D-Metamaterial entwickelt, das Energiewellen auf festen Oberflächen steuern kann, was möglicherweise zu Fortschritten in der Quantenmechanik, im Quantencomputing und bei der Erdbebenminderung führt.

Wissenschaftler haben ein synthetisches Metamaterial entwickelt, um mechanische Wellen auf einem bestimmten Weg zu leiten, was der 4D-Realität, auch bekannt als synthetische Dimension, eine innovative Kontrollebene hinzufügt.

Der Alltag umfasst die drei Dimensionen oder 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.

Kürzlich gelang Huang zusammen mit einem Team von Wissenschaftlern im Structured Materials and Dynamics Lab am MU College of Engineering ein bedeutender Durchbruch. Sie haben erfolgreich ein neues synthetisches Metamaterial mit 4D-Funktionen erstellt. Dazu gehört die Fähigkeit, Energiewellen auf der Oberfläche eines festen Materials zu kontrollieren. Diese als mechanische Oberflächenwellen bezeichneten Energiewellen sind von grundlegender Bedeutung dafür, wie sich Vibrationen entlang der Oberfläche fester Materialien ausbreiten.

Eine Darstellung des neuen synthetischen Metamaterials mit 4D-Funktionen, entworfen von Wissenschaftlern der University of Missouri. Dazu gehört die Fähigkeit, Energiewellen auf der Oberfläche eines festen Materials zu kontrollieren. Bildnachweis: Guoliang Huang/Universität Missouri

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.

Guoliang Huang. Bildnachweis: Guoliang Huang/Universität Missouri

„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.“

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"}]"> Quanten-Computing. Dies ist auf die Entwicklung höherdimensionaler quantenmechanischer Effekte zurückzuführen, die dadurch möglich werden könnten.

„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 auf früheren Forschungen von Huang und seinen Kollegen auf. Ihre früheren Studien zeigten, wie ein passives Metamaterial den Weg von Schallwellen steuern kann, wenn sie von einer Ecke eines Materials zur anderen wandern.

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"}]">Wissenschaftliche Fortschritte.DOI: 10.1126/sciadv.adh4310

Die Studie wurde in Science Advances veröffentlicht, einer Zeitschrift der American Association for the Advancement of Science (AAAS). Es wird durch Zuschüsse des Air Force Office of Scientific Research und des Army Research Office unterstützt.