我們的日常生活通常涉及三個(gè)維度（3D），即X、Y、Z軸，或者上下、左右、前后。近年來(lái)，美國(guó)密蘇里大學(xué)胡貝爾和海倫克羅夫特工程系主任黃國(guó)良教授等科學(xué)家，探索了“第四維度”（4D）即合成維度，作為我們當(dāng)前物理現(xiàn)實(shí)的延伸。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，密蘇里大學(xué)黃國(guó)良教授和北京理工大學(xué)大學(xué)宇航學(xué)院朱睿教授領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合科學(xué)家團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了一種具有4D功能的新型合成超構(gòu)材料，包括了控制固體材料表面能量波的能力。這些能量波被稱為機(jī)械表面波，是振動(dòng)如何沿固體材料表面?zhèn)鞑サ幕A(chǔ)。

設(shè)計(jì)原理

近期，這項(xiàng)研究成果已經(jīng)已“Smart patterning for topological pumping of elastic surface waves”為題發(fā)表于的Science Advances期刊。

盡管現(xiàn)階段，該團(tuán)隊(duì)的研究成果還只是其他科學(xué)家參考學(xué)習(xí)的文獻(xiàn)，不過(guò)，該材料也有潛力擴(kuò)大規(guī)模，用于土木工程、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）以及國(guó)防等應(yīng)用。

黃國(guó)良教授介紹稱：“傳統(tǒng)材料僅限于X、Y和Z軸三個(gè)維度。現(xiàn)在，我們是在合成維度或稱4D中構(gòu)建材料，這使我們能夠操縱能量波路徑，使其從材料的一端傳播到另一端時(shí)，能夠準(zhǔn)確地到達(dá)我們想要的位置?！?/p>

拓?fù)浔砻娌▊鬏數(shù)臅r(shí)間響應(yīng)

這一突破性發(fā)現(xiàn)被稱為拓?fù)漭斶\(yùn)（topological pumping），未來(lái)有望通過(guò)開發(fā)更高維度的量子力學(xué)效應(yīng)，推動(dòng)量子力學(xué)和量子計(jì)算的進(jìn)步。

在本論文中，研究人員通過(guò)構(gòu)造空間調(diào)制的合成維度，巧妙地設(shè)計(jì)了一個(gè)彈性表面波的拓?fù)漭斶\(yùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)表面裝飾有彈性柱陣列的彈性體，其核心是通過(guò)空間幾何調(diào)制彈性柱之間的連接高度，使其剛度滿足空間慢速變化，優(yōu)點(diǎn)是將空間幾何調(diào)制作為額外自由度，代替了外部物理場(chǎng)。

黃國(guó)良教授說(shuō)：“地震產(chǎn)生的大部分能量（90%）都發(fā)生在地球表面。因此，通過(guò)用這種材料覆蓋柱狀結(jié)構(gòu)，然后將其放置在建筑物下方的地表上，有助于防止建筑結(jié)構(gòu)在地震中倒塌?！?/p>

這項(xiàng)研究成果基于黃國(guó)良教授及其同事之前的研究基礎(chǔ)，該研究展示了無(wú)源超構(gòu)材料如何控制聲波在材料表面?zhèn)鞑サ穆窂健?/p>

審核編輯：劉清