比翱观察丨前沿：科学家创造了在超材料中精确控制声波的新机制

俄勒冈大学团队设计了第一个在声波通过超材料传输时动态停止和反转声脉冲的机制。研究成果发表在《Physical Review Applied》上。

俄勒冈大学（University of Oregon）的物理学家开发了一种新的方法来操纵声音——在称为超材料的合成复合结构中阻止它、反转它、存储它甚至以后使用它。这一发现是利用薄弹性板的机械振动的理论和计算分析得出的，这些薄板是拟议设计的基石。物理学家Pragalv Karki和Jayson Paulose还开发了一个更简单的最小模型，由弹簧和质量组成，展示了相同的信号处理能力。 “有很多机制可以引导或阻止声波通过超材料传输，但我们的设计是第一个动态停止和反转声脉冲的机制，”俄勒冈大学物理系和基础科学研究所博士后研究员Karki说。弯曲刚度和全局张力（控制薄板中声音传输的两个物理参数）之间的相互作用是其信号操纵机制的核心。虽然弯曲刚度是一种材料特性，但全局张力是其系统中的外部可控参数。Karki和基础科学研究所成员、物理学助理教授Paulose在2021年3月29日在线发表在《物理评论应用》（Physical Review Applied.）期刊上的一篇论文中描述了他们的新机制，他们称之为动态频散调谐。（通过阅读原文了解此项研究工作）。 (a)通过动态分散调谐实现声音脉冲反转。(b)波包操纵的无序效应
 “如果你把一块石头扔到池塘上，你会看到涟漪，”Karki说。“但是如果你扔石头，看到的不是向外传播的涟漪，而是撞击点处的水的位移，这与我们系统中发生的情况类似。”Karki说，在人工制造的超材料中操纵声音、光或任何其他波的能力是一个活跃的研究领域。 
光学或光子超材料具有传统材料无法实现的负折射率等特性，最初开发用于以可用于制造隐形斗篷和超级透镜的方式控制光。目前，众多研究团队正在探索其在航空航天和国防、消费电子、医疗设备和能量收集等多种应用中的使用。Karki说，声学超材料通常是静态的，一旦生产就无法改变，动态调整它们的特性是一个持续的挑战。其他研究小组提出了几种调整声学传输的策略，从折纸设计到磁开关。“在我们的案例中，可调性来自实时改变鼓状膜张力的能力，”Karki说。Karki和Paulose指出，在2019年的《自然通讯》（Nature Communications）中，Alemán团队推出了一种石墨烯纳米机械测辐射热计，这是一种鼓状薄膜，可以在高速和高温下检测光的颜色。这种方法利用了全局张力的变化。Karki说，虽然新论文中的机制是从理论上确定的，需要在实验室实验中得到证实，但他相信这种方法会奏效。“我们的动态频散调谐机制与您使用的是声波、光波还是电子波无关，”Karki说。“这也开辟了在光子和电子系统中操纵信号的可能性。”他说，可能性包括改进声学信号处理和计算。设计基于石墨烯的声学超材料，如Alemán实验室开发的超材料，可能会带来多种用途，如基于波的计算、微机械晶体管和逻辑器件、波导和超灵敏传感器。Karki说：“我们的设计可以用石墨烯在微尺度上构建，也可以用鼓状薄膜在大尺度上构建。”“你敲击一连串的鼓，产生一种特定的声音模式，这种声音模式朝一个方向移动，但通过调整鼓的张力，我们可以停止声音并将其储存起来，以备将来使用。它可以反转或操纵成任意数量的其他模式。”更多信息参考：Pragalv Karki et al, Stopping and Reversing Sound via Dynamic Dispersion Tuning in a Phononic Metamaterial, Physical Review Applied (2021).DOI: 10.1103/PhysRevApplied.15.034083

多孔材料与人工结构物理特性表征与验证技术领先者

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