科學家開發出「聲學二極體」原理:能控制聲波在某一個方向傳播!

2021-01-15 騰訊網

在最新發表在《科學進展》期刊上的一項研究中，由理研應急物質科學中心（CEMS）科學家領導的一個研究小組，利用磁旋轉耦合原理抑制了聲波在薄膜表面一個方向的傳播，同時讓聲波在另一個方向上傳播，這可能促進致聲學整流器的發展，這種設備能讓聲波在一個方向上優先傳播，在通信技術中具有潛在的應用，被稱為整流器的設備在技術發展中極其重要。

最著名的是電子二極體，它用來將交流電轉換成直流電，基本上使通電成為可能。在目前的研究中，該研究小組在磁性薄膜中檢查了聲波表面波的運動-聲音運動，就像地震在地球表面的傳播一樣。表面聲波和自旋波之間存在相互作用，即材料內部磁場中的幹擾可以通過材料。聲波表面波可以通過兩種方式激發自旋波，一種是磁彈性耦合，有很好的記錄。

然而，40多年前，這項研究的作者之一前川貞一(Sadamichi Maekawa)提出了第二種方法：即磁旋轉耦合，但直到現在才得到實驗驗證。在目前的研究中，研究發現這兩種機制同時發生，但強度不同。發現，當磁性樣品的磁化方向與表面聲波旋轉方向相同時，聲波表面波的能量會更有效地傳遞給自旋波，從而增加磁化的旋轉。事實上，研究人員能夠識別出一種單向耦合的結構。

在這種結構中，只有一個方向的表面聲波的能量可以轉移到磁化的旋轉上。同時研究人員還注意到，當磁性材料表現出磁各向異性時，這種整流效應更加明顯，這意味著即使在施加外部磁場之前，內部磁化就有一個更好的方向。研究的第一作者、理研應急物質科學中心（CEMS）的徐明然(Mingran Xu)表示：能夠證明磁旋耦合現象確實存在，並且可以用來完全抑制聲能在一個方向上的運動，這是非常令人興奮的。

同樣來自日本理化學研究所（RIKEN）應急物質科學中心（CEMS）的豪爾赫·普埃布拉(Jorge Puebla)表示：我們希望能利用這項研究來創造一種『聲學二極體』，相當於非常重要的電子二極體，我們可以相對容易地製造出一種設備，聲能在一個方向上有效轉移，而在另一個方向上被阻擋。這發生在微波頻率上，這是5G通信技術感興趣的範圍，因此表面聲波可能是這項技術的一個有趣候選者。

磁振子，是聲子相互作用一種基本形式是磁性材料的固有屬性，即「磁彈性耦合」。這種相互作用形式一直是描述磁致伸縮材料及其應用的基礎，其中應變會引起內部磁場的變化。與磁彈性耦合不同的是，早在40多年前，就有人提出聲表面波可以通過各向異性磁體中晶格的旋轉運動來誘導表面磁子。然而，這種稱為磁旋耦合的磁振子-聲子耦合機制的特徵一直難以捉摸。

本研究首次報導了垂直各向異性薄膜Ta/CoFeB(1.6納米)/MgO中磁旋耦合的觀測和理論框架，在理論預測的優化條件下，它導致了非互易聲波的衰減，其整流率達到了前所未有的100%，研究不僅從實驗上證明了研究磁振子-聲子耦合的一條新途徑，而且也證明了磁旋耦合應用的可行性。

博科園｜研究/來自：日本理化學研究所

參考期刊《科學進展》

博科園｜科學、科技、科研、科普

相關焦點

  • 科學家開發出「聲學二極體」原理：能控制聲波在某一個方向傳播
    在最新發表在《科學進展》期刊上的一項研究中，由理研應急物質科學中心（CEMS）科學家領導的一個研究小組，利用磁旋轉耦合原理抑制了聲波在薄膜表面一個方向的傳播，同時讓聲波在另一個方向上傳播，這可能促進致聲學整流器的發展，這種設備能讓聲波在一個方向上優先傳播，在通信技術中具有潛在的應用，被稱為整流器的設備在技術發展中極其重要。
  • 磁場控制聲學材料,還能打造「聲音計算機」
    南加州大學副教授王啟明（Qiming Wang）領導的研究團隊開發出一種新型智能聲學材料，能讓聲音在材料中的傳播特性按需改變。王啟明說：「傳統聲學材料，一種結構設計對應一種聲學特性，用我們這種新材料，一種結構設計可以實現多種聲學特性。」
  • 聲學材料的一個世紀
    該項目發現了聲子晶體等人工帶隙材料中的新效應並研製了一系列新材料和原型器件：發現了聲波在聲子晶體中負折射和雙負折射的新規律，被評為中國基礎研究十大新聞；提出「波矢躍遷」新原理並實現了聲波二極體。《科學》等雜誌對此做了亮點評述；發現了聲波異常透射效應及聲表面倏逝波，拓展了聲波亞波長材料與器件的研究領域。這些發現在這個領域產生了重要影響，為聲功能材料與器件的發展提供了新的思路。
  • 受鯊魚皮啟發,全新聲學智能材料誕生!可隨聲音傳輸的需要而變化
    一個南加州大學的研究小組，由桑尼•阿斯塔尼土木與環境工程系助理教授Qiming Wang領導，創造出一種新的智能材料，可以根據聲音傳輸的需要而隨之變化。Qiming Wang說：「採用傳統的聲學超材料，你可以創建一個結構，實現某一個特性。而有了這種新的智能材料，我們可以用一個結構實現多種性能。」
  • 聲學材料的一個世紀(下篇)
    該項目發現了聲子晶體等人工帶隙材料中的新效應並研製了一系列新材料和原型器件：發現了聲波在聲子晶體中負折射和雙負折射的新規律，被評為中國基礎研究十大新聞；提出「波矢躍遷」新原理並實現了聲波二極體。《科學》等雜誌對此做了亮點評述；發現了聲波異常透射效應及聲表面倏逝波，拓展了聲波亞波長材料與器件的研究領域。這些發現在這個領域產生了重要影響，為聲功能材料與器件的發展提供了新的思路。
  • 聲學材料的一個世紀(下篇)|科學|拓撲|帶隙_網易訂閱
    該項目發現了聲子晶體等人工帶隙材料中的新效應並研製了一系列新材料和原型器件：發現了聲波在聲子晶體中負折射和雙負折射的新規律，被評為中國基礎研究十大新聞；提出「波矢躍遷」新原理並實現了聲波二極體。《科學》等雜誌對此做了亮點評述；發現了聲波異常透射效應及聲表面倏逝波，拓展了聲波亞波長材料與器件的研究領域。這些發現在這個領域產生了重要影響，為聲功能材料與器件的發展提供了新的思路。
  • 聲學——科學、技術與藝術
    因為我們經常需要探測固體中的缺陷或者結構，特別是對於不透光的物體，聲波就是很好的探測手段，因此我們也要研究聲波在固體中的傳播。比如說要做B超，就要研究聲波在人體的各種材料裡面怎麼傳播，在肌肉裡面怎麼傳播，在脂肪裡怎麼傳播，然後到了骨頭裡面又是什麼樣的一個情況，然後我們才知道，那些是病變，那些地方是健康的東西，要不然檢查出來一塊骨頭，當作腫瘤把它破壞了，豈不要出醫療事故了？
  • 中國流動科技館展品科普原理講解與功能概述(2.聲學展品)
    第一篇講了光學的幾個展品，下面作為一家有能力生產流動科技館展品的科普設備加工工廠，北京定致科技有限公司的小編君就給大家講解一下中國流動科技館的聲學展品的科普原理、功能概述及操作方法。聲學類展品比較少，下面就給大家列舉常見的幾款。聲駐波展品簡介聲源發出聲波後，聲波會在管內另一端發生反射。
  • 建築物理複習:室內聲學原理及音質設計,材料和結構的聲學特性
    導讀：聲學的主要內容主要由室內聲學原理、材料和結構的聲學特性、室內音質設計以及噪聲控制四個主要章節組成，本文將分別對此進行重點歸納。我是正在備考期末考試的建築生，如果你也是，不妨點個關注，一同進步。01室內聲學原理本章的重點主要有以下四點：混響時間以及計算公式混響半徑室內穩態聲壓級的計算房間共振，共振簡併、聲染色及防治方法1.1混響和混響時間的計算公式混響時間：室內聲場達到穩態後，聲源突然停止發聲，室內的聲壓級將按照線性規律衰減
  • 聲學必閱!利用反聲波消除噪聲!
    別逗我，利用反聲波也能消除噪聲？聲環境的好壞直接關係到我們生活質量的優劣，一個好的聲環境是我們安居樂業、幸福生活的保證。以前，人們對噪音只能被動承受，科學家們的各項研究也都是圍繞著如何緩解噪音的攻勢而展開。現在，科學家們逐漸打破了這種舊的思維方式，開始嘗試從另一個角度出發，主動出擊，消滅噪聲。人之所以能夠聽到聲音，首先是因為聲源振動引起周圍介質分子震蕩，形成聲波的緣故。
  • 聲學材料的一個世紀（上篇）
    一、引 言聲學是研究聲波在不同介質中的傳播的物理現象的科學，是物理學的一個重要分支。也有人說聲學是物理學的第一學科，如果是從字母順序來看的話。聲學，以及在此基礎上孵化的技術、產品就像次聲波一樣，雖然你並不能完全感受到它的存在，但是卻滲透到了我們日常生活的方方面面。
  • 表面聲波觸控螢幕工作原理_表面聲波觸控螢幕特點
    表面聲波觸控螢幕工作原理 　　以下角的X軸發射換能器為例，發射換能器把控制器通過觸控螢幕電纜送來的電信號轉化為聲波能量向左方表面傳遞，然後由玻璃板下邊的一組精密反射條紋把聲波能量反射成向上的均勻面傳遞，聲波能量經過屏體表面，再由上邊的反射條紋聚成向右傳播的聲波給X軸的接收換能器，接收換能器將返回的表面聲波能量變為電信號。
  • 聲波技術新突破:有望讓潛艇實現「隱身」!
    導讀近日，瑞士洛桑聯邦理工學院與奧地利維也納技術大學以及希臘克裡特大學的研究人員一起合作，開發出一種可以使得聲波無失真地穿過無序媒介的系統。背景大多數天然材料都具有一種無序的原子結構，這種結構會干擾聲波和電磁波的傳播。當波與這些材料發生接觸時，波會向四周反彈並擴散開來。
  • 【學術報告】「聲學超材料的低頻振動與噪聲控制及仿生應用研究...
    報告會簡介報告人：吳九匯教授時 間：2017年9月30日（星期六） 上午 9:30地 點：友誼校區 航海學院 505會議室主 題：聲學超材料的低頻振動與噪聲控制及仿生應用研究內容簡介： 聲學超材料由於具有負的質量密度和彈性模量，通過設計使其能夠成為一種聲隱身材料，因而是目前振動和噪聲領域普遍關注的熱點研究話題。
  • 科學家發現聲波也有自旋
    從天體到基本粒子，自旋都是一個重要的基本物理量。對於基本粒子，攜帶半整數自旋的粒子（比如電子）是費米子，遵循泡利不相容原理；攜帶整數自旋的粒子（比如光子）是玻色子，遵循玻色-愛因斯坦分布。那麼聲波也有自旋嗎？ 聲波是縱波，所以人們普遍認為聲波不具備自旋。但是不久前，來自美國加州大學伯克利分校、美國喬治亞理工學院以及中國同濟大學的合作研究團隊（石承志教授、趙榮闊博士、龍洋、楊隋博士、汪遠教授、陳鴻教授、任捷教授以及張翔教授）發現並通過實驗觀測證明，在特定條件下聲波自旋存在。
  • 聲學武器殘忍又有期詐性 部分國家加緊秘密研製
    經事後查明，造成這起人間慘劇的罪魁禍首是 16公裡外法國國防部次聲波武器研究所因技術故障而洩漏的聲波。　　人死就像大橋塌了　　誰都知道，聲音是物體的機械振動產生的。這些振動可以通過媒質（如空氣、水和鋼鐵等）產生聲波，進行傳播。聲波之所以會傷人甚至殺人，主要是因為一定頻率的聲波會使人體的某些器官與之產生共振。
  • 美科學家造出空中「聲波瓶」
    「聲波瓶」的技術，能讓聲波路徑按預定曲線彎曲。這一技術有著廣泛的應用前景，包括超聲波成像與治療、聲學隱形、懸浮與粒子操控等。相關論文發表在最近的《自然·通訊》雜誌上。 　　聲波跟光波類似，都是沿一條直線傳播，但其路徑會由於反射、衍射或折射而彎曲。超聲醫學成像、材料檢測就是利用了這一原理。比如超材料就是一種能讓聲波、光波彎曲的人造納米結構，但這些材料本身的性質限制了它們的應用，尤其在生物學方面。
  • 基於聲波的機器人夾持器被開發 無需接觸就能精準操縱微小易碎物體
    不接觸也能抓住：這就是Schuck的「無接觸機器人」項目背後的原理。這項技術是基於一種已經被開發了80多年並首次用於太空探索的效應。超聲波會產生一種人們看不見或聽不見的壓力場。壓力點是聲波相互疊加而形成的，小物體可以被困在這些壓力點中。結果，它們似乎在空氣中自由漂浮——在一個聲學陷阱中。
  • 詳解麥克風陣列的基本原理、結構組成及聲學效果
    陣列(Array)：數學定義——有限個相同資料形態之元素組成之集合麥克風陣列具有對遠場幹擾噪聲很強的抑制作用，應用於便攜IT設備如PDA、GPS、NB、手機等在較大噪聲環境中使用時表現出較好的效果。小型麥克風陣列由一組麥克風單元在一個小範圍內按照一定空間分布組合而成，由於它在噪聲環境下具有良好的信號採集性，因此越來越受到聲學應用領域的關注。
  • 3D列印超材料用磁場遠程控制 消除聲波和振動
    位於洛杉磯的USC Viterbi的研究小組最近開創了一種控制聲音的新方法，超級3D列印材料的開發，這些超級材料具有專門設計的結構，使其能夠利用光波或聲波以及其他應用。這一最新的突破是獨特的，因為可以遠程使用磁場來打開或關閉超材料的聲學特性。