Avanço na Quarta Dimensão: Novo Metamaterial Controla Ondas de Energia

Por Universidade de Missouri-Columbia3 de agosto de 2023

Cientistas da Universidade de Missouri criaram um metamaterial 4D sintético que pode controlar ondas de energia em superfícies sólidas, levando potencialmente a avanços na mecânica quântica, computação quântica e mitigação de terremotos.

Os cientistas desenvolveram um metamaterial sintético para direcionar as ondas mecânicas ao longo de um caminho específico, o que adiciona uma camada inovadora de controle à realidade 4D, também conhecida como dimensão sintética.

A vida cotidiana envolve as três dimensões ou 3D – ao longo dos eixos X, Y e Z, ou para cima e para baixo, para a esquerda e para a direita, e para frente e para trás. Mas, nos últimos anos, cientistas como Guoliang Huang, titular da cátedra Huber e Helen Croft em Engenharia da Universidade do Missouri, exploraram uma “quarta dimensão” (4D), ou dimensão sintética, como uma extensão da nossa realidade física atual.

Recentemente, Huang, juntamente com uma equipe de cientistas do Laboratório de Materiais Estruturados e Dinâmica da Faculdade de Engenharia do MU, alcançaram um avanço significativo. Eles criaram com sucesso um novo metamaterial sintético com capacidades 4D. Isto inclui a capacidade de controlar ondas de energia na superfície de um material sólido. Essas ondas de energia, conhecidas como ondas mecânicas de superfície, são fundamentais para a forma como as vibrações viajam ao longo da superfície de materiais sólidos.

Uma representação do novo metamaterial sintético com capacidades 4D projetada por cientistas da Universidade de Missouri. Inclui a capacidade de controlar ondas de energia na superfície de um material sólido. Crédito: Guoliang Huang/Universidade do Missouri

Embora a descoberta da equipe, nesta fase, seja simplesmente um alicerce para outros cientistas pegarem e adaptarem conforme necessário, o material também tem potencial para ser ampliado para aplicações maiores relacionadas à engenharia civil, sistemas microeletromecânicos (MEMS) e usos de defesa nacional.

Guoliang Huang. Crédito: Guoliang Huang/Universidade do Missouri

“Os materiais convencionais são limitados a apenas três dimensões com eixos X, Y e Z”, disse Huang. “Mas agora estamos construindo materiais na dimensão sintética, ou 4D, o que nos permite manipular o caminho das ondas de energia para ir exatamente para onde queremos, à medida que viaja de um canto a outro de um material.”

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"}]"> Computação quântica. Isto se deve ao desenvolvimento de efeitos mecânicos quânticos de dimensão superior que ela pode permitir.

“A maior parte da energia – 90% – de um terremoto acontece ao longo da superfície da Terra”, disse Huang. “Portanto, ao cobrir uma estrutura semelhante a um travesseiro com este material e colocá-la na superfície da Terra, embaixo de um edifício, isso poderia potencialmente ajudar a evitar que a estrutura desabasse durante um terremoto.”

O trabalho baseia-se em pesquisas anteriores conduzidas por Huang e seus colegas. Seus estudos anteriores demonstraram como um metamaterial passivo poderia controlar o caminho das ondas sonoras enquanto elas viajam de um canto a outro de um material.

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>