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南京大学梁彬和西班牙马德里卡洛斯三世大学Johan Christensen团队利用声学超表面构建超薄声隐身斗篷

作者: Research编辑部

时间: 2020-03-17 14:35

超表面可视为超材料的二维形式,具有不同于三维体系的新颖物理及扩展功能。南京大学梁彬和西班牙马德里卡洛斯三世大学(Universidad Carlos III de Madrid)Johan Christensen团队提出利用具有宇称-时间对称性(parity-time symmetry)的超表面构建超薄声隐身斗篷的新思路。相关研究以“Ultrathin Acoustic Parity-Time Symmetric Metasurface Cloak”为题发表在Research(DOI: 10.34133/2019/8345683)上。

(本文经授权转载自“Research科学研究”微信公众号)

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论文地址:

https://spj.sciencemag.org/research/2019/8345683/

研究背景

隐身术数百年来一直是人类的向往与憧憬,也是各类科幻电影及小说中频繁出现的题材,一个典型的例子就是著名的《哈利波特》电影中神奇的隐身斗篷。随着超材料(利用人工设计的结构呈现出天然材料不具备的新奇光学/声学性能的复合材料)的出现,隐身斗篷研究近年来成为科学研究的热点问题之一,其物理本质是通过高效消除散射回波来使物体无法被电磁波/声波探测

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哈利波特的隐身斗篷

然而,现有的隐身斗篷设计通常依赖超材料参数的特殊调控来弯曲入射声波的传播路径,导引其绕过被隐身物体达到消除反射波的目的。遗憾的是,利用这种思路来构建更薄的隐身斗篷或隐藏尺寸(相对于波长)更大的物体时,产生所需的结构参数将变得极为困难。因此,要实现《哈利波特》电影中所描绘的那种尺寸超薄却能有效隐身巨大物体的理想斗篷,必须探究新的物理机制。

研究现状与展望

最近由南京大学和西班牙马德里卡洛斯三世大学(Universidad Carlos III de Madrid)合作开展的一项科学研究中,梁彬教授和Johan Christensen教授及合作者们提出了利用声学超表面来构建超薄声隐身斗篷的新思路。超表面可视为超材料的二维形式,具有不同于三维体系的新颖物理及扩展功能。与通常被认为无能量损耗、亦毋需能量供给的常规声学超表面不同的是,该工作中提出的超表面具有宇称-时间对称性(parity-time symmetry),其构建方法是利用精巧设计的人工结构来根据增益区域(gain region)调控损耗,反之亦然。通过使用满足PT对称条件的增益和损耗声学介质,构建了一个可实现单向隐身的超薄隐形斗篷(图1),能够隐藏比工作波长很多的物体,且理论上对工作频率、散射物体的形状或大小没有限制。其中图1(a)为超薄隐身斗篷的结构示意,斗篷蓝色部分为损耗端,红色部分为增益端,声波以平面波形式入射。图1(b)左图为无隐身斗篷包裹下障碍物造成的散射声场,中图为仅有损耗端情况下实现的部分散射声波吸收,右图为基于PT对称的隐身斗篷实现的声隐身现象。

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图1   满足PT对称条件构建的可实现单向隐身的超薄隐形斗篷

该隐身斗篷由损耗端和增益端两部分构成(图1(a)),损耗端通过吸收入射的平面波在前方实现物体的隐藏,抑制入射声波的背向散射。而增益端对声场的反演重现可消除后侧的阴影区域,实现完全的声隐身(图1(b))。在该机制中,实现上述完美声隐身效果的关键是设计出满足PT对称的损耗端和增益端。为此,研究者们首先在理论上严格推导出该模型表面声阻抗的分布特性,发现在声波无反射的情况下,损耗端表面声阻抗的实部需满足与角度间的特定关系且虚部为0,增益端某点处的声强则应与损耗端对应角度位置处声强相等。为实现上述理想声学参数分布,提出了以亥姆霍兹共鸣器和扬声器作为损耗端和增益端单元的方案(图2(a)-(b)),并利用理论计算与数值仿真证明了通过调节人工超材料的几何参数和设计相应的控制电路,可使其满足PT对称下的阻抗分布和声强分布要求(图2(c)-(e))。

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图2  设计中的理想声学参数分布

基于此,研究者制备了超薄声隐身斗篷的原理性器件并在实验上验证了其单向隐身效果。图3(a)展示了实验样品(半径a=40厘米),其中损耗端为亥姆霍兹共鸣器阵列,增益端为扬声器阵列。实验中分别测量了超薄声隐身斗篷敷设前后的空间声场分布(图3(b)-(c),其中图3b)上方为频率为3kHz的平面波由左侧入射到一个硬质圆柱体上产生的声压场的数值模拟结果,虚线框表示实验测量区域(下方为实验测量结果)图3c为当该硬质圆柱体被超表面斗篷覆盖时的声场模拟结果(上方)及被隐身目标前后方的实验测量结果(下方))。数值计算结果与实验测量数据间的对比证明了所设计的隐身斗篷的行为符合理论的预期,能够以亚波长厚度(约1/3工作波长)有效隐藏横向尺度比工作波长大7倍的大型物体。在其遮蔽下,入射的声波“无视”障碍物的存在继续向前传播,不引起任何前向或背向的声散射。值得强调的是,该体系的PT对称性使得其独特的隐身性不仅能在可听声范围内有用,同时也适用于在其他介质中实现声散射的消除。

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图3  基于PT对称型超表面的超薄声学斗篷的实验样品及超薄声隐身斗篷敷设前后的空间声场分布

超薄声隐身斗篷的实现为小型化声学隐身及幻象器件的设计提供了新的启示,并有望在诸多重要领域产生深远影响,例如实现水下潜艇对难以用常规方法应对的低频声呐信号的有效隐身等。

作者简介

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梁彬,南京大学物理学院教授,博士生导师。获首批国家优秀青年基金资助,入选南京大学登峰人才(B类)及新世纪优秀人才计划。主要从事声人工材料中的新奇声学现象及其操控机制研究,研究方向包括低频声复杂操控、声单向传播等。作为第一或通信作者(含共同)在Nature Mat. (1篇)、Nature Rev. Mat. (1篇)、Nature Comm. (1篇)、Phys. Rev. X(1篇)、Phys. Rev. Lett. (4篇)及Adv. Mat. (1篇)等期刊上发表SCI论文90余篇。8篇论文入选ESI高被引论文。研究成果多次得到Nature News、American Institute of Physics等学术机构报道,并被制成“科学60秒”科普节目。获授权国内发明专利十余项,美国专利一项。受邀在国内外学术会议上做邀请报告及大会报告二十余次。作为第二完成人获得2016年度教育部自然科学一等奖。

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Johan Christensen为西班牙马德里卡洛斯三世大学的Research Fellow,他的研究兴趣包括波动物理、声学/力学超材料的理论研究与数值建模以及结构介质中的等离激元等。多次受邀在国际学术会议上做邀请报告及主旨报告等,组织及主持多个学术会议分会场,并担任多个国际学术组织的技术委员。在Nature Phys.、Phys. Rev. Lett.等期刊上发表SCI论文60余篇。因其杰出工作,获得Marie-Curie博士后奖学金、丹麦杰出青年研究人员奖(Young Elite researcher prize)、欧盟研究理事会提供的Ramon Cajal 奖学金及启动研究基金等。

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