4차원 혁신: 새로운 메타물질이 에너지 파동을 제어함

작성자: University of Missouri-Columbia2023년 8월 3일

미주리 대학의 과학자들은 고체 표면의 에너지 파동을 제어할 수 있는 합성 4D 메타물질을 만들어 잠재적으로 양자 역학, 양자 컴퓨팅 및 지진 완화 분야의 발전을 가져올 수 있습니다.

과학자들은 합성 차원이라고도 알려진 4D 현실에 혁신적인 제어 계층을 추가하는 특정 경로를 따라 기계적 파동의 방향을 지정하는 합성 메타물질을 설계했습니다.

일상 생활에는 X, Y, Z 축을 따라 또는 위아래, 왼쪽과 오른쪽, 앞뒤로 3차원 또는 3D가 포함됩니다. 그러나 최근 몇 년 동안 미주리 대학교 공과대학의 Huber 및 Helen Croft 의장인 Guoliang Huang과 같은 과학자들은 현재 물리적 현실의 확장으로서 "4차원", 즉 합성 차원을 탐구했습니다.

최근 Huang은 MU 공과대학 구조재료 및 역학 연구실의 과학자 팀과 함께 중요한 돌파구를 달성했습니다. 그들은 4D 기능을 갖춘 새로운 합성 메타물질을 성공적으로 만들었습니다. 여기에는 고체 물질 표면의 에너지 파동을 제어하는 ​​기능이 포함됩니다. 기계적 표면파라고 불리는 이러한 에너지 파동은 고체 물질의 표면을 따라 진동이 이동하는 방식의 기본입니다.

미주리 대학의 과학자들이 설계한 4D 기능을 갖춘 새로운 합성 메타물질의 렌더링. 여기에는 고체 물질 표면의 에너지 파동을 제어하는 ​​기능이 포함됩니다. 출처: Guoliang Huang/미주리 대학교

현 단계에서 팀의 발견은 단순히 다른 과학자들이 필요에 따라 채택하고 적용할 수 있는 구성 요소일 뿐이지만, 이 재료는 토목 공학, 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 및 국방 용도.

Guoliang Huang 출처: Guoliang Huang/미주리 대학교

"기존 재료는 X, Y, Z축의 3차원으로만 제한됩니다"라고 Huang은 말했습니다. "그러나 이제 우리는 합성 차원, 즉 4D로 자재를 만들고 있습니다. 이를 통해 에너지 파동 경로를 조작하여 재료의 한 모서리에서 다른 모서리로 이동할 때 정확히 원하는 방향으로 이동할 수 있습니다."

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"}]"> 양자 컴퓨팅. 이는 그것이 허용할 수 있는 더 높은 차원의 양자 역학적 효과의 개발 때문입니다.

황은 “지진으로 인한 대부분의 에너지(90%)는 지구 표면을 따라 발생한다”고 말했다. "따라서 이 재료로 베개 같은 구조물을 덮고 건물 아래 지표면에 놓으면 지진 중에 구조물이 붕괴되는 것을 방지하는 데 잠재적으로 도움이 될 수 있습니다."

이 연구는 Huang과 그의 동료들이 수행한 이전 연구를 기반으로 합니다. 그들의 초기 연구에서는 수동 메타물질이 물질의 한 모서리에서 다른 모서리로 이동할 때 음파의 경로를 제어할 수 있는 방법을 보여주었습니다.

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>