Scoperta della Quarta Dimensione: il nuovo metamateriale controlla le onde energetiche

Dall'Università del Missouri-Columbia3 agosto 2023

Gli scienziati dell’Università del Missouri hanno creato un metamateriale sintetico 4D in grado di controllare le onde di energia su superfici solide, portando potenzialmente a progressi nella meccanica quantistica, nell’informatica quantistica e nella mitigazione dei terremoti.

Gli scienziati hanno progettato un metamateriale sintetico per dirigere le onde meccaniche lungo un percorso specifico, che aggiunge un innovativo livello di controllo alla realtà 4D, altrimenti nota come dimensione sintetica.

La vita quotidiana coinvolge le tre dimensioni o 3D: lungo gli assi X, Y e Z, oppure su e giù, sinistra e destra, avanti e indietro. Ma negli ultimi anni scienziati come Guoliang Huang, titolare della cattedra di Ingegneria Huber e Helen Croft presso l’Università del Missouri, hanno esplorato una “quarta dimensione” (4D), o dimensione sintetica, come estensione della nostra attuale realtà fisica.

Recentemente, Huang, insieme a un team di scienziati del Laboratorio di materiali e dinamica strutturati presso il MU College of Engineering, ha ottenuto un risultato significativo. Hanno creato con successo un nuovo metamateriale sintetico con funzionalità 4D. Ciò include la capacità di controllare le onde di energia sulla superficie di un materiale solido. Queste onde di energia, chiamate onde superficiali meccaniche, sono fondamentali per il modo in cui le vibrazioni viaggiano lungo la superficie dei materiali solidi.

Un rendering del nuovo metamateriale sintetico con funzionalità 4D progettato dagli scienziati dell'Università del Missouri. Include la capacità di controllare le onde di energia sulla superficie di un materiale solido. Credito: Guoliang Huang/Università del Missouri

Sebbene la scoperta del team, in questa fase, sia semplicemente un elemento costitutivo che altri scienziati possono prendere e adattare secondo necessità, il materiale ha anche il potenziale per essere ampliato per applicazioni più ampie legate all'ingegneria civile, ai sistemi microelettromeccanici (MEMS) e usi della difesa nazionale.

Guoliang Huang Crediti: Guoliang Huang/Università del Missouri

"I materiali convenzionali sono limitati a sole tre dimensioni con gli assi X, Y e Z", ha affermato Huang. “Ma ora stiamo costruendo materiali nella dimensione sintetica, o 4D, che ci consente di manipolare il percorso dell’onda energetica per andare esattamente dove vogliamo che vada mentre viaggia da un angolo all’altro di un materiale”.

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"}]"> calcolo quantistico. Ciò è dovuto allo sviluppo di effetti quantomeccanici di dimensione superiore che potrebbe consentire.

“La maggior parte dell’energia – il 90% – di un terremoto avviene lungo la superficie della Terra”, ha detto Huang. “Pertanto, coprendo una struttura a forma di cuscino con questo materiale e posizionandola sulla superficie terrestre sotto un edificio, si potrebbe potenzialmente aiutare a evitare che la struttura crolli durante un terremoto”.

Il lavoro si basa su ricerche precedenti condotte da Huang e dai suoi colleghi. I loro studi precedenti avevano dimostrato come un metamateriale passivo potesse controllare il percorso delle onde sonore mentre viaggiano da un angolo all’altro di un materiale.

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>