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新手已上路木蟲 (職業(yè)作家)
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“密度”接近零的聲學超材料，可制造針對聲音的隱形斗篷
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中國研究者們制造除了了一種可調諧，密度接近于零的薄膜超材料，能夠有效地重建聲波的量子隧穿效應 聲音穿過密度接近為零的薄膜的示意圖。圖片來源：劉曉峻/南京大學 聲波遇到障礙物被散射時，信號可能會丟失或者退化。但如果你能用一種方法使信號繞過障礙物，仿佛干擾阻隔并不存在呢？最近，中國南京大學的科學家們用聚乙烯膜研制出了一種材料，可以實現(xiàn)上述效果。 他們的最終產品，如在本周發(fā)表在美國物理聯(lián)合會出版的《應用物理雜志》中的論文所述，是一種有效密度接近于零（DNZ）的聲學“超材料”。這項工作可能會賦予傳輸網絡一些人們夢寐以求的性質，如實現(xiàn)尖銳拐角的高傳輸，高效的切波分裂和聲波隱形。 “這就好像是整個[內部]空間結構消失了一樣，”南京大學人工微結構科學與技術協(xié)同創(chuàng)新中心物理系教授劉曉峻說。 “我們很好奇能否只用幾個微小的薄膜制造出簡單，緊湊，密度接近零的超材料，”劉教授說，“如果答案是肯定的，我們又能否用它來進一步操控聲波，制造出聲波隱形衣以及其他功能奇特的設備呢？” 以前科學家們的模型是試圖用螺旋結構和聲子晶體用來實現(xiàn)密度近零的“狄拉克錐”, 但這需要很大的物理尺度，復雜的幾何結構以及難度很大的有效技巧使聲波在散射圓柱體內速度減緩至超低--因此限制了這些模型的實用性。 在這篇論文中研究者們提出了一個可以在物理尺度上最小化地實現(xiàn)密度接近零的超材料的方法，它是由置于金屬波導的方形網格內部，厚度為0.125毫米且中間有9毫米半徑孔的聚乙烯薄膜構成。薄膜的密集共振顯著減小了結構的有效質量密度，而有效質量密度是結構對于入射聲波的動態(tài)響應的一種度量。根據(jù)牛頓第二定律，這種密度的削減可以使結構的平均加速度趨于無窮大，由此引起聲波隧穿。 當聲波以990赫茲的頻率被傳導，經過薄膜迅速加速時，薄膜成了聲波的通道，它包裹著聲波進入局部亞波長區(qū)。這樣，聲波在傳導時相位不會積累，波前不會被扭曲--類似于量子隧穿效應，粒子可以穿越在經典力學中不可逾越的勢壘。 在未來應用方面， 該超材料還有可能被集成到聲電路和結構中。 當用于波長分離器時，研究人員們發(fā)現(xiàn)無論波的入射角如何，能量的傳輸效率可提升80%， 此外，研究人員還能通過調整薄膜的張力和物理尺寸來調諧超材料網絡的頻率，這是在以往的模型中無法做到的。 劉曉峻和他的同事們已經使用這種膜網制造出了一個平面雙曲透鏡，這是一種補償通過透鏡所丟失的攜帶圖像精細細節(jié)的聲波的裝置。它可以為科學家們呈現(xiàn)物體的精細細節(jié)，如腫瘤，或者飛機機翼在工業(yè)檢測中的微小缺陷等，這些細節(jié)在以往的儀器中由于衍射極限的限制是被無法觀察到的。其他的應用還包括智能聲學結構，如邏輯門，它可以通過改變聲波傳播的方向操控聲波，可應用于傳統(tǒng)電子器件和光子結構不適用的極端環(huán)境中的通信系統(tǒng)。 “我們的工作證實使質量密度接近零絕非僅僅是一個數(shù)學技巧，”劉曉峻說。（美國物理聯(lián)合會 張錚錚） 聲音穿過密度接近為零的薄膜的示意圖。圖片來源：劉曉峻/南京大學 |
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