Люди воспринимают мир преимущественно в трех измерениях. Однако недавно ученые начали исследовать перспективы «четвертого измерения» (4D), или синтетического измерения – нашего взгляда за пределы нашего физического мира. Ученые университета Миссури разработали новую форму метаматериала, основанную на методе 4D синтетического измерения.
Этот материал может контролировать энергетические волны на поверхности твердого вещества. Такие волны известны как механические поверхностные волны, которые могут помочь в определении того, как вибрации распространяются через твердый поверхностный материал.
«Обычные материалы ограничены только тремя измерениями с осями X, Y и Z», сказал Гуолян Хуанг, соавтор этого исследования из университета Миссури. «Но теперь мы создаем материалы в синтетическом измерении, или 4D, что позволяет нам манипулировать путем энергетических волн, чтобы они шли именно туда, куда мы хотим, когда они проходят из одного угла материала в другой».
Основное преимущество этого нового метаматериала заключается в области квантовых вычислений. Тем не менее, это также может иметь значение для создания более безопасных инженерных решений для сейсмоопасных районов.
Этот новый метаматериал был разработан с использованием области математики, известной как топология. Эта ветвь связана с изучением форм и их расположением в пространстве.
В этом исследовании использовался топологический эффект накачки, который, согласно исследованию, «позволяет волнам перемещаться по образцу, не нарушаемому беспорядками и дефектами».
Топологическая накачка может улучшить квантовую механику и квантовые вычисления, позволяя создавать квантово-механические явления более высокого измерения.
Материал также может быть использован для разработки технических решений для сейсмостойких конструкций.
«Большая часть энергии, 90%, от землетрясения поступает на поверхность Земли. Таким образом, если покрыть подушкообразную структуру этим материалом и разместить ее на поверхности земли под зданием, это потенциально может помочь предотвратить разрушение конструкции во время землетрясения», сказал Хуанг.
Результаты были опубликованы в журнале Science Advances.
Аннотация исследования:
Топологическая накачка позволяет волнам перемещаться по образцу, не нарушая помех и дефектов. Мы демонстрируем это явление с помощью упругих поверхностных волн, стратегически формируя эластичную поверхность для создания синтетического измерения. Поверхность украшена массивами резонирующих столбов, соединенных пространственно медленно меняющимися связными мостиками и поддерживающими собственные моды, расположенные ниже звукового конуса. Мы устанавливаем связь между коллективной динамикой столбов и динамикой электронов в магнитном поле, разрабатывая модель сильной связи и анализ ВКБ (Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна). Это позволяет нам предсказывать топологическую схему накачки, которую мы подтверждаем посредством численного и экспериментального управления волнами от одного края к другому. Кроме того, мы наблюдаем невосприимчивость поверхностных волн с топологической накачкой к беспорядку и дефектам. Комбинация структурирования поверхности и ВКБ-анализа обеспечивает универсальную платформу для управления поверхностными волнами и изучения топологической материи в более высоких измерениях.
