物理和工程學的重大突破：保持聲波的完整性

2020-08-19 4K頻道


為改進使用表面聲波技術的超聲成像，聲納和電子系統鋪平了道路

作為物理和工程學的一項突破，來自紐約市立大學畢業生中心高級科學研究中心的光子學計劃的研究人員和喬治亞理工學院的研究人員首次展示了基於時間調製的拓撲順序。這一進步使研究人員能夠沿著拓撲超材料的邊界傳播聲波，而不會產生聲波向後傳播或被材料缺陷阻礙的風險。

這項新發現刊登在《科學進展》雜誌上，將為使用電池電量更少，可以在惡劣或危險環境下運行的更便宜，更輕便的設備鋪平道路。CUNY ASRC光子學計劃的創始理事和CUNY研究生中心的物理學教授AndreaAlù，以及博士後研究助理Xiang Ni以及喬治亞理工學院的Amir Ardabi和Michael Leamy都是本文的作者。

拓撲領域檢查不受連續變形影響的對象的屬性。在拓撲絕緣體中，電流可以沿著對象的邊界流動，並且這種流動可以防止被對象的瑕疵中斷。超材料領域的最新進展已將這些功能擴展為遵循類似原理來控制聲音和光的傳播。

特別是，Alù和紐約市城市學院物理實驗室的先前工作，Alexander Khanikaev教授使用幾何不對稱性來創建3D列印聲學超材料的拓撲順序。在這些物體中，聲波被限制在物體邊緣和尖角附近傳播，但是有一個明顯的缺點：這些聲波沒有被完全束縛-它們可以以相同的特性向前或向後傳播。這種影響從本質上將這種方法的整體魯棒性限制在聲音的拓撲順序上。某些類型的無序或瑕疵確實會向後反射沿著物體邊界傳播的聲音。

這項最新的實驗克服了這一挑戰，表明時間逆向對稱性破壞（而不是幾何不對稱性）也可用於引發拓撲順序。使用此方法，聲音傳播真正成為單向的，並且對紊亂和瑕疵具有很強的魯棒性

「結果是拓撲物理學的突破，因為我們已經能夠顯示出隨著時間變化而出現的拓撲順序，這與基於幾何不對稱的拓撲聲學方面的大量工作有所不同，並且更具優勢，」Alù說。「以前的方法固有地要求存在一個後向通道，通過該通道可以反射聲音，這固有地限制了它們的拓撲保護。通過時間調製，我們可以抑制向後傳播並提供強大的拓撲保護。」

設計由圓形的壓電諧振器的陣列的設備的研究人員安排在重複的六邊形，如蜂窩網格，並結合到聚乳酸的薄盤酸。然後，他們將其連接到外部電路，該外部電路提供了時間調製信號，打破了時間反轉對稱性。

另外，它們的設計允許編程。這意味著它們可以沿著各種不同的可重構路徑引導波，而損失最小。使用表面聲波技術的超聲成像，聲納和電子系統都可以從這一進展中受益。

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