我們的日常生活通常涉及三個維度（3D），即X、Y、Z軸，或者上下、左右、前后。近年來，美國密蘇里大學胡貝爾和海倫克羅夫特工程系主任黃國良教授等科學家，探索了“第四維度”（4D）即合成維度，作為我們當前物理現實的延伸。

據麥姆斯咨詢報道，密蘇里大學黃國良教授和北京理工大學大學宇航學院朱睿教授領導的聯合科學家團隊成功開發了一種具有4D功能的新型合成超構材料，包括了控制固體材料表面能量波的能力。這些能量波被稱為機械表面波，是振動如何沿固體材料表面傳播的基礎。

設計原理

近期，這項研究成果已經已“Smart patterning for topological pumping of elastic surface waves”為題發表于的Science Advances期刊。

盡管現階段，該團隊的研究成果還只是其他科學家參考學習的文獻，不過，該材料也有潛力擴大規模，用于土木工程、微機電系統（MEMS）以及國防等應用。

黃國良教授介紹稱：“傳統材料僅限于X、Y和Z軸三個維度。現在，我們是在合成維度或稱4D中構建材料，這使我們能夠操縱能量波路徑，使其從材料的一端傳播到另一端時，能夠準確地到達我們想要的位置。”

拓撲表面波傳輸的時間響應

這一突破性發現被稱為拓撲輸運（topological pumping），未來有望通過開發更高維度的量子力學效應，推動量子力學和量子計算的進步。

在本論文中，研究人員通過構造空間調制的合成維度，巧妙地設計了一個彈性表面波的拓撲輸運系統。該系統是一個表面裝飾有彈性柱陣列的彈性體，其核心是通過空間幾何調制彈性柱之間的連接高度，使其剛度滿足空間慢速變化，優點是將空間幾何調制作為額外自由度，代替了外部物理場。

黃國良教授說：“地震產生的大部分能量（90%）都發生在地球表面。因此，通過用這種材料覆蓋柱狀結構，然后將其放置在建筑物下方的地表上，有助于防止建筑結構在地震中倒塌。”

這項研究成果基于黃國良教授及其同事之前的研究基礎，該研究展示了無源超構材料如何控制聲波在材料表面傳播的路徑。

審核編輯：劉清