在声波中,工程师们用“时空变化的超材料”打破了相互作用。

时间:2020-03-13 19:20 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

在声波中,工程师们用“时空变化的超材料”打破了相互作用。

互惠并不总是一件好事。

例如,在物理学中,它涉及到电磁波和声波。其原理是,波的前进方向和后退方向是一样的。这很好,除了波浪遇到阻碍(摩天大楼,风,人),导致他们失去能量。

但如果你能打破这个规则,在这些障碍周围引导波浪呢?还是让一个物体完全吸收特定方向的波?这些功能可以改变电子、光子和声学器件的设计和使用方式。

布法罗大学的工程师们已经朝这个方向迈出了一步。在一个被称为“时空变化的超材料”的新兴领域工作,工程师们已经证明了在声波中打破相互作用的能力。

2月14日,由美国物理学会(American Physical Society)出版的《物理评论应用快报》(Physical Review Applied letters)杂志刊登了一项描述他们工作的研究,该研究得到了美国国家科学基金会(National Science Foundation)的支持。

“我们已经通过实验证明,在声波中打破材料特性随时间和空间同时改变的相互作用是可能的,”该项目的首席研究员、工程与应用科学学院机械与航空航天工程助理教授Mostafa Nouh博士说。

在声波中,工程师们用“时空变化的超材料”打破了相互作用。

共同作者是M. Ali Attarzadeh和Jesse Callanan,两人都是Nouh实验室的博士生。

为了进行实验,Nouh和学生们建造了一个由普通的热塑性塑料(丙烯腈丁二烯苯乙烯,或ABS)条组成的横梁,上面装有20个铝谐振器,每个谐振器的形状都像一个长方形。

马达允许工程师们对每一个谐振器进行编程,每四个谐振器成对排列,以45度角的间隔进行旋转。例如,第一个谐振器是0度,第二个是45度,第三个是90度,第四个是135度。下一组四人遵循相同的模式,以此类推。

自旋是空间(45度间隔)和时间(角度方向之间的毫秒数)的函数。因此得名,时空变化的超材料。

当被激活时,旋转的谐振器看起来像汽车活塞一样旋转,而不是上下跳动。然而,他们所做的是改变光束的“刚度”,也就是它抵抗外力变形的能力。

在对光束进行测试之前,研究小组进行了计算机模拟,预测了在刚度的快速变化下,相互作用会被打破。换句话说,共振器旋转得越快,它们破坏互易性的可能性就越大。

于是工程师们把马达的转速提高到每分钟2000转。为了验证这个速度是否足够快,工程师们通过压电致动器将振动(声波)传送到光束中。使用扫描激光多普勒测振仪和热成像摄像机(以确保轻微的温度波动不会影响实验),Nouh和学生们发现,波返回到它的起源的模式与最初的过程大相径庭。

“这是波浪以非互惠方式作用的证据,”Callanan说。

在另一项测试中,谐振器仅以每分钟100转的速度旋转,光束的硬度几乎没有变化。Nouh和他的学生们发现,波回到它的原点的方式和它离开时一样,这表明互惠性并没有被打破。

“实验不仅证明了我们打破声波相互作用的能力,而且证实了我们的假设,即这种破坏取决于通过旋转作用的刚度调节的速度,”Attarzadeh说。

以这种方式操纵波的能力,是此类概念证明的第一次,有许多可能的用途。例如,你可以建造一堵墙,让声音很容易地从一个方向穿过,但不能从另一个方向穿过。它可以改善自动驾驶车辆之间的通信。它可以提高通过超声波进行医学成像的分辨率,这通常会受到一种被称为“反射伪影”的限制,这可能会导致医生误解图像。

但是Nouh警告说,实验室的成果还没有准备好商业化。例如,该团队制造的光束很大,可能需要通过3d打印或其他纳米制造工具将其缩小。此外,团队使用的材料升温过快。要解决这个问题,可能需要更先进、更昂贵的材料。

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