Crean un material con propiedades de “cuarta dimensión”

Un extraño metamaterial con propiedades de "cuarta dimensión" es capaz de manipular las ondeas de energía en la superficie de los materiales. Colocado debajo de un edificio, podría mitigar los efectos de los terremotos, además de otras aplicaciones de ingeniería civil y militar.

¿Qué pasaría si pudiéramos controlar el camino de las ondas de energía que viajan por la superficie de los materiales sólidos? ¿Y si pudiéramos hacerlo en una dimensión sintética que va más allá de las tres dimensiones físicas que conocemos?

Estas son algunas de las preguntas que se han planteado los científicos de la Universidad de Missouri, quienes han creado un nuevo material sintético con capacidades 4D, capaz de manipular las ondas de energía en la superficie de los materiales y de crear efectos mecánico-cuánticos en una dimensión sintética diferente a las tres conocidas.

Dimensión sintética

El material sintético, llamado metamaterial inteligente, está formado por una estructura periódica de pequeñas piezas cilíndricas que pueden rotar alrededor de un eje. Al cambiar la orientación de estas piezas, se puede crear una dimensión sintética adicional a las tres dimensiones espaciales.

Esta dimensión sintética permite controlar el camino de las ondas de energía que se propagan por la superficie del material, haciendo que se desvíen o se concentren en ciertas regiones.

Este fenómeno, llamado bombeo topológico, se basa en el efecto Hall cuántico, que describe cómo los electrones se comportan en un campo magnético.

Impacto cuántico

El bombeo topológico en este metamaterial podría tener aplicaciones potenciales en el campo de la mecánica cuántica y la computación cuántica, al permitir el desarrollo de efectos cuántico-mecánicos de mayor dimensión.

También podría tener usos prácticos en la ingeniería civil. Por ejemplo, el material podría servir para mitigar los efectos de los terremotos, al cubrir una estructura similar a una almohada con el metamaterial inteligente y colocarla debajo de un edificio. De esta forma, se podría absorber o desviar la mayor parte de la energía sísmica que se produce en la superficie de la Tierra.

El trabajo, publicado en la revista Science Advances, se basa en investigaciones previas del mismo equipo, que demostraron cómo un metamaterial pasivo podía controlar el camino de las ondas sonoras que viajan por un material.

Nueva dimensión

El autor principal del estudio, Guoliang Huang, profesor de ingeniería en la Universidad de Missouri y director del Structured Materials and Dynamics Lab, explica en un comunicado: "Los materiales convencionales están limitados a solo tres dimensiones con un eje X, Y y Z. Pero ahora estamos construyendo materiales en la dimensión sintética, o 4D, que nos permite manipular el camino de la onda de energía para que vaya exactamente dónde queremos que vaya a medida que viaja desde una esquina de un material a otra".

Dimensión adicional

La vida cotidiana involucra las tres dimensiones o 3D, a lo largo de un eje X, Y y Z, o arriba y abajo, izquierda y derecha, y adelante y atrás. Pero, en los últimos años, científicos como Guoliang Huang han explorado una "cuarta dimensión" (4D), o dimensión sintética, como una extensión de nuestra realidad física actual.

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

Referencia

Smart patterning for topological pumping of elastic surface waves. Shaoyun Wang et al. Science Advances, 28 Jul 2023, Vol 9, Issue 30. DOI:10.1126/sciadv.adh4310