第四维突破：新型超材料可控制能量波

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科学家们设计了一种合成超材料，引导机械波沿着特定路径前进，为 4D 现实（又称合成维度）增添了一层创新的控制能力。日常生活涉及三维空间，即 X、Y 和 Z 轴，或上下、左右、前后。但是，近年来，密苏里大学休伯和海伦-克罗夫特工程学讲座教授黄国梁等科学家探索了"第四维"（4D），即合成维度，作为我们当前物理现实的延伸。

最近，黄与密苏里大学工程学院结构材料与动力学实验室的科学家团队一起取得了一项重大突破。他们成功创造了一种具有 4D 功能的新型合成超材料。这包括在固体材料表面控制能量波的能力。这些能量波被称为机械表面波，是固体材料表面振动传播的基础。

密苏里大学科学家设计的具有 4D 功能的新型合成超材料效果图。它包括在固体材料表面控制能量波的能力。图片来源：Guoliang Huang/密苏里大学

虽然该团队的发现在现阶段只是一个构件，供其他科学家根据需要加以利用和改造，但这种材料也有可能被放大，用于与土木工程、微机电系统（MEMS）和国防用途相关的更大应用。

黄国梁 密苏里大学

"传统材料仅限于 X、Y 和 Z 轴三个维度，"黄国梁说。"但现在，我们正在建造合成维度（即 4D）的材料，这使我们能够操纵能量波的路径，让它从材料的一个角落到达另一个角落时，准确地到达我们想要到达的地方。"

这一突破性发现被称为"拓扑抽运"，有可能带来量子力学和量子计算的进步。这是因为它可能会发展出更高维度的量子力学效应。

"地震的大部分能量--90%--都发生在地球表面，"黄国梁说。"因此，将这种材料覆盖在类似枕头的结构上，并将其置于建筑物下方的地球表面，就有可能帮助建筑物在地震中避免倒塌。"

这项工作建立在黄和他的同事之前进行的研究基础之上。他们之前的研究表明，当声波从材料的一个角落传播到另一个角落时，被动超材料可以控制声波的传播路径。

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