四次元のブレークスルー: 新しいメタマテリアルがエネルギー波を制御

ミズーリ大学コロンビア校、2023年8月3日

ミズーリ大学の科学者は、固体表面上のエネルギー波を制御できる合成 4D メタマテリアルを作成しました。これは、量子力学、量子コンピューティング、および地震緩和の進歩につながる可能性があります。

科学者たちは、機械波を特定の経路に沿って導く合成メタマテリアルを設計しました。これにより、合成次元として知られる 4D 現実に革新的な制御層が追加されます。

日常生活には、X、Y、Z 軸に沿った、または上下、左右、前後の 3 次元または 3D が含まれます。 しかし、近年、ミズーリ大学のフーバー・アンド・ヘレン・クロフト工学部教授であるGuoliang Huangのような科学者は、現在の物理的現実の延長として「四次元」（4D）、または合成次元を研究しています。

最近、Huang 氏は、MU 工学部の構造化材料およびダイナミクス研究室の科学者チームと協力して、重要な進歩を達成しました。 彼らは、4D 機能を備えた新しい合成メタマテリアルの作成に成功しました。 これには、固体材料の表面上のエネルギー波を制御する機能が含まれます。 機械的表面波と呼ばれるこれらのエネルギー波は、振動が固体材料の表面に沿って伝わる仕組みの基礎となります。

ミズーリ大学の科学者によって設計された 4D 機能を備えた新しい合成メタマテリアルのレンダリング。 これには、固体材料の表面上のエネルギー波を制御する機能が含まれます。 クレジット: Guoliang Huang/ミズーリ大学

現段階では、チームの発見は他の科学者が必要に応じて取り入れて適応させるための単なる構成要素に過ぎませんが、この材料は土木工学、微小電気機械システム（MEMS）、および国防用途。

Guoliang Huang. クレジット: Guoliang Huang/ミズーリ大学

「従来の材料は、X、Y、Z 軸の 3 次元のみに制限されていました」と Huang 氏は言います。 「しかし現在、私たちは合成次元、つまり 4D で材料を構築しています。これにより、エネルギー波の経路を操作して、材料の隅から隅まで移動するときに、希望する場所に正確に到達することができます。」

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"}]">量子コンピューティング。 これは、可能になる可能性のある高次元の量子力学的効果の開発によるものです。

「地震によるエネルギーのほとんど、90%は地表に沿って発生します」とフアン氏は言う。 「したがって、枕のような構造物をこの素材で覆い、建物の下の地表に設置すれば、地震時の構造物の倒壊を防ぐことができる可能性があります。」

この研究は、Huang 氏と彼の同僚によって行われた以前の研究に基づいています。 彼らの初期の研究では、パッシブメタマテリアルが、材料の隅から隅まで音波が伝わる際の経路をどのように制御できるかを実証しました。

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>