Статьи

Физики спрятали механическую волну внутри «виртуального поглотителя»

05 сентября 2019 Рубрика: Исследования и разработки Ключевые слова: исследования, физика, виртуальный поглотитель, фотоника

Ученые продемонстрировали возможность запасания энергии механических колебаний без потерь, а также последующее направление их в нужную сторону. Для этого исследователи воспользовались идеей «виртуального поглощения», которая позволяет имитировать идеальное преобразование энергии волн, не используя потери в веществе.

Авторы экспериментально продемонстрировали применимость подхода в случае продольных механических волн, результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Когда волна встречается с препятствием, она может поглотиться, рассеяться или отразиться. Чаще всего энергия колебаний частично расходуется по всем трем каналам, причем это справедливо для возмущений любой природы, в том числе для света и звука. Различные технологические применения требуют увеличения доли одного процесса и уменьшения других. В частности, зеркала должны преимущественно отражать волны, а не поглощать или рассеивать.

Эффективное поглощение падающих волн лежит в основе множества повсеместно используемых технологий, начиная от аккумулирования энергии солнечными батареями и обнаружения объектов радарами при помощи электромагнитных волн до звуко- и виброизоляции в области механических возмущений. Обычно при проектировании таких систем считается, что высокое поглощение достигается при подходящих параметрах вещества и волны, когда вся энергия набегающего возмущения превращается в тепло или расходуется на другие химические процессы.

Существует принципиально другой режим эффективного поглощения, называемый когерентным идеальным поглотителем (coherent perfect absorption, CPA), что в случае электромагнитных волн также называют антилазером. В основе этого явления лежит дополнительная свобода управления процессом взаимодействия с препятствием в случае набегания нескольких волн. В таком случае их интерференция в зависимости от интенсивностей и фаз позволяет контролировать поглощение и рассеяние.

В частности, можно подобрать режим, при котором происходит практически полное превращение энергии колебаний в тепло. Антилазер был теоретически описан в 2010 году и реализован годом позже.

Поглощение CPA также было продемонстрировано для акустических колебаний, что открывает целый ряд интересных для науки и технологий применений. В частности, благодаря ему возможно создание сверхчувствительных детекторов или усилителей малых колебаний, а также преобразователей, улучшающих и управляющих процессом аккумулирования энергии.

В работе американских ученых под руководством Андреа Алу (Andrea Alu) из Техасского университета в Остине явление CPA впервые продемонстрировано для упругих волн в веществе. Фактически, ученым удалось имитировать процесс поглощения, не растрачивая энергию на тепло, а сохраняя колебание внутри поглотителя.

«Наш эксперимент подтверждает, что нетипичные формы возбуждений открывают новые возможности в плане управления движением и рассеянием волны, — говорит Андреа Алу. — Путем тщательной настройки временной зависимости возбуждений можно эффективно сохранить волну, а затем контролируемо освободить ее в нужном направлении».

Авторы использовали непоглощающий упругие волны материал — углеродистую сталь. Длинный металлический брусок выступал в роли волновода, а посередине у него находилось утолщение, которое выступало в качестве препятствия. Возмущения со специально подобранными параметрами создавались на обоих концах волновода. В результате интерференции этих волн в центральной части бруска удавалось достичь подавления отражения и рассеяния. Так как вещество по своим свойствам также не может преобразовать энергию волн в тепло, то они оказывались заперты внутри, причем это происходило без потерь.

Авторы называют полученную систему «виртуальным поглотителем», так как она имитирует поглощение в том смысле, что подавляет рассеяние и отражение, но при этом не происходит потерь энергии или преобразования ее в другие формы. «Сохраненные» колебания затем можно было освободить в желаемый момент времени и в нужную сторону также путем изменения свойств падающих волн.

Исследователи отмечают, что описанный феномен одинаково применим к волнам разной природы и может пригодиться в большом количестве областей: в беспроводной передаче данных, фотонике, преобразовании механической энергии в электрическую, усилении слабых сигналов и многих других.

Добавить комментарий

  • 26
  • 27
  • 28
  • 29
  • 30
  • 31
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9
  • 10
  • 11
  • 12
  • 13
  • 14
  • 15
  • 16
  • 17
  • 18
  • 19
  • 20
  • 21
  • 22
  • 23
  • 24
  • 25
  • 26
  • 27
  • 28
  • 29
  • 30
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6