Avance de la cuarta dimensión: un nuevo metamaterial controla las ondas de energía

Por Universidad de Missouri-Columbia 3 de agosto de 2023

Científicos de la Universidad de Missouri han creado un metamaterial sintético 4D que puede controlar ondas de energía en superficies sólidas, lo que podría conducir a avances en la mecánica cuántica, la computación cuántica y la mitigación de terremotos.

Los científicos diseñaron un metamaterial sintético para dirigir ondas mecánicas a lo largo de un camino específico, lo que agrega una innovadora capa de control a la realidad 4D, también conocida como dimensión sintética.

La vida cotidiana implica las tres dimensiones o 3D: a lo largo de los ejes X, Y y Z, o arriba y abajo, izquierda y derecha, y adelante y atrás. Pero, en los últimos años, científicos como Guoliang Huang, titular de la Cátedra Huber y Helen Croft de Ingeniería de la Universidad de Missouri, han explorado una “cuarta dimensión” (4D), o dimensión sintética, como una extensión de nuestra realidad física actual.

Recientemente, Huang, junto con un equipo de científicos del Laboratorio de Dinámica y Materiales Estructurados de la Facultad de Ingeniería de MU, logró un avance significativo. Crearon con éxito un nuevo metamaterial sintético con capacidades 4D. Esto incluye la capacidad de controlar ondas de energía en la superficie de un material sólido. Estas ondas de energía, denominadas ondas superficiales mecánicas, son fundamentales para la forma en que las vibraciones viajan a lo largo de la superficie de los materiales sólidos.

Una representación del nuevo metamaterial sintético con capacidades 4D diseñado por científicos de la Universidad de Missouri. Incluye la capacidad de controlar ondas de energía en la superficie de un material sólido. Crédito: Guoliang Huang/Universidad de Missouri

Si bien el descubrimiento del equipo, en esta etapa, es simplemente un elemento básico para que otros científicos lo adopten y adapten según sea necesario, el material también tiene el potencial de ampliarse para aplicaciones más amplias relacionadas con la ingeniería civil, los sistemas microelectromecánicos (MEMS) y Usos de la defensa nacional.

Guoliang Huang Crédito: Guoliang Huang/Universidad de Missouri

"Los materiales convencionales se limitan a sólo tres dimensiones con un eje X, Y y Z", dijo Huang. "Pero ahora estamos construyendo materiales en la dimensión sintética, o 4D, lo que nos permite manipular la trayectoria de la onda de energía para que vaya exactamente donde queremos que vaya mientras viaja de una esquina de un material a otra".

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"}]"> computación cuántica. Esto se debe al desarrollo de efectos mecánico-cuánticos de mayor dimensión que podría permitir.

"La mayor parte de la energía (90%) de un terremoto se produce a lo largo de la superficie de la Tierra", dijo Huang. "Por lo tanto, al cubrir una estructura similar a una almohada con este material y colocarla en la superficie de la Tierra debajo de un edificio, podría ayudar a evitar que la estructura colapse durante un terremoto".

El trabajo se basa en investigaciones anteriores realizadas por Huang y sus colegas. Sus estudios anteriores demostraron cómo un metamaterial pasivo podría controlar la trayectoria de las ondas sonoras cuando viajan de un rincón de un material a otro.

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"}]">Avances científicos.DOI: 10.1126/sciadv.adh4310

El estudio fue publicado en Science Advances, una revista de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS). Cuenta con el apoyo de subvenciones de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Oficina de Investigación del Ejército.