4D超构材料实现弹性表面波的拓扑输运

我们的日常生活通常涉及三个维度（3D），即X、Y、Z轴，或者上下、左右、前后。近年来，美国密苏里大学胡贝尔和海伦克罗夫特工程系主任黄国良教授等科学家，探索了“第四维度”（4D）即合成维度，作为我们当前物理现实的延伸。

据麦姆斯咨询报道，密苏里大学黄国良教授和北京理工大学大学宇航学院朱睿教授领导的联合科学家团队成功开发了一种具有4D功能的新型合成超构材料，包括了控制固体材料表面能量波的能力。这些能量波被称为机械表面波，是振动如何沿固体材料表面传播的基础。

设计原理

近期，这项研究成果已经已“Smart patterning for topological pumping of elastic surface waves”为题发表于的Science Advances期刊。

尽管现阶段，该团队的研究成果还只是其他科学家参考学习的文献，不过，该材料也有潜力扩大规模，用于土木工程、微机电系统（MEMS）以及国防等应用。

黄国良教授介绍称：“传统材料仅限于X、Y和Z轴三个维度。现在，我们是在合成维度或称4D中构建材料，这使我们能够操纵能量波路径，使其从材料的一端传播到另一端时，能够准确地到达我们想要的位置。”

拓扑表面波传输的时间响应

这一突破性发现被称为拓扑输运（topological pumping），未来有望通过开发更高维度的量子力学效应，推动量子力学和量子计算的进步。

在本论文中，研究人员通过构造空间调制的合成维度，巧妙地设计了一个弹性表面波的拓扑输运系统。该系统是一个表面装饰有弹性柱阵列的弹性体，其核心是通过空间几何调制弹性柱之间的连接高度，使其刚度满足空间慢速变化，优点是将空间几何调制作为额外自由度，代替了外部物理场。

黄国良教授说：“地震产生的大部分能量（90%）都发生在地球表面。因此，通过用这种材料覆盖柱状结构，然后将其放置在建筑物下方的地表上，有助于防止建筑结构在地震中倒塌。”

这项研究成果基于黄国良教授及其同事之前的研究基础，该研究展示了无源超构材料如何控制声波在材料表面传播的路径。

审核编辑：刘清