科学家创造了一种机制来精确控制超材料中的声波

　　俄勒冈大学
　　俄勒冈大学(University of Oregon)的物理学家们已经开发出了一种操纵声音的新方法——阻止它、逆转它、储存它，甚至在以后使用它——这是一种被称为＂超材料＂的合成复合结构。
　　这一发现是通过对弹性薄板的机械振动的理论和计算分析得出的，而弹性薄板是提出设计的基石。物理学家Pragalv Karki和Jayson Paulose也开发了一个由弹簧和质量组成的更简单的最小模型，展示了同样的信号处理能力。
　　＂有很多机制可以引导或阻止声波通过超材料的传输，但我们的设计是第一个动态停止和逆转声音脉冲，＂Karki说，他是UO物理和基础科学研究所的博士后研究员。
　　弯曲刚度和整体张力之间的相互作用是控制声音在薄板中传播的两个物理参数，是其信号处理机制的核心。抗弯刚度是一种材料特性，而整体张力是系统的外可控参数。
　　Karki和Paulose，一位物理学助理教授和基础科学研究所的成员，在3月29日发表在《物理评论应用》杂志上的一篇论文中描述了他们的新机制，他们称之为动态色散调谐。
　　＂如果你把一块石头扔到池塘里，你会看到涟漪，＂卡尔基说。＂但如果你扔出石头，看到的不是涟漪向外扩散，而是水在撞击点上下的位移呢?＂这与我们的系统中发生的情况类似。＂
　　卡尔基说，在人造超材料中操纵声音、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不可能具备的负折射率等特性，最初是为了控制光线而开发的，可以用来制造隐形斗篷和超级透镜。
　　它们的用途正在广泛应用，如航空航天和国防、消费电子、医疗设备和能源收集。
　　Karki表示，声学超材料通常是静态的，一旦产生就无法改变，动态调整它们的性能是一个持续的挑战。其他研究小组也提出了一些调整声音传输的策略，从折纸设计到磁开关。
　　＂在我们的案例中，这种可调性来自于实时改变鼓状膜张力的能力，＂Karki说。
　　卡尔基和保罗斯指出，另外的灵感来自物理学家UO实验室Benjamín Alemán的研究。2019年，Alemán的团队在《自然通讯》上发布了一种石墨烯纳米机械辐射热计，这是一种鼓状膜，可以在高速和高温下检测光的颜色。这种做法利用了全球紧张局势的变化。
　　虽然新论文中的机制是在理论上确定的，需要在实验室实验中证明，卡尔基说，他有信心的方法将工作。
　　＂我们的动态色散调节机制与你使用的是声波、光波还是电子波无关，＂Karki说。＂这也为在光子和电子系统中操纵信号提供了可能。＂
　　他说，可能性包括改进声音信号处理和计算。基于石墨烯设计声学超材料，如Alemán实验室开发的那些材料，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。
　　卡尔基说:＂我们的设计可以在微观尺度使用石墨烯，在大尺度上使用鼓状的薄膜。＂＂敲击鼓链，产生一种向一个方向移动的特定声音模式，但通过调整鼓的张力，我们可以停止这种声音，并将其储存起来，以备将来使用。＂它可以被逆转或操纵成任何其他模式。＂