Sci. Adv.：在不损失能量的情况下存储和释放机械波 

来源：科研圈

一个研究团队通过实验表明，他们可以在不损失能量的情况下捕获和储存一段机械波，然后将其导向特定的地方。

实验装置由带空腔和侧边通道的导波杆组成。弹性波由系统两端的压电驱动器激励，沿导波杆运动。图片来源：Giuseppe Trainiti, Georgia Tech

从手机到发动机，光波和声波是能量和信号传输的基石，也是一些最基本技术的原理。然而，科学家们还需要设计一种方法，让他们在任意的时间长度内完整存储一段波却不损失能量，然后根据需要将波导向一个期望的地方。这样的设计将极大地促进我们操纵波的能力，使其服务于各种期望的用途，包括能量收集、量子计算、结构完整性监测、信息存储等等。

在最近发表在《科学进展》（Science Advances）的一篇论文中，一个研究团队通过实验表明，他们可以有效地捕获和储存完整的波，然后将其导向特定的地方。该团队由纽约市立大学（City University of New York）先进科学研究中心（Advanced Science Research Center，ASRC）光子学计划的创会理事安德里亚•阿卢（Andrea Alù）和佐治亚理工学院（Georgia Tech）航空工程学教授马西莫·鲁泽恩（Massimo Ruzzene）领导。

阿卢说：“我们的实验证明，非常规的激励形式为控制波的传播和散射提供了新机遇。通过仔细调整激励随时间的演变，激励波有可能被诱导并有效地存储在空腔中，随后根据需要将其释放到所需的方向。”

为了实现他们的目标，科学家们必须设计一种方法，改变波与材料之间的基本相互作用。当光波或声波碰到障碍物时，它要么被部分吸收，要么被反射和散射。吸收过程意味着波被立即转换成热或其它形式的能量。不能吸收波的材料只能反射和散射入射波。研究人员的目标是找到一种方法来模拟吸收过程，但不将波转换成其它形式的能量，而是将其储存在材料中。ASRC 团队在两年前从理论上提出了这个概念，称之为相干虚拟吸收（coherent virtual absorption）。

为了证明他们的理论，研究人员推断他们需要调整波随时间的演变，这样当波与非吸收性材料接触时，不会被反射、散射或传播。这将防止入射波从材料中逃逸，并有效地将其困在材料内部，就像被吸收了一样。随后，存储的波可以根据需要释放。

在实验中，研究人员沿着含有空腔的碳钢导波杆，向相反方向传播两列机械波。每一个波的时间演变都被细心控制，以确保空腔能保留所有的入射波能量。然后，通过停止激励或使其中一列波失谐，他们能够控制储存能量的释放，并根据需要将其导向期望的方向。

鲁泽恩说：“尽管我们用弹性波在固体材料中的传播进行概念验证实验，我们的发现也适用于无线电波和光波，这为有效收集能量、无线功率传输、低能量光子学，以及广泛加强对波传播的控制等应用提供了激动人心的前景。”

论文信息

【标题】Coherent virtual absorption of elastodynamic waves

【作者】G. Trainiti, Y. Ra'di, M. Ruzzene and A. Alù

【时间】2019 年 8 月 30 日

【期刊】Science Advances

【DOI】10.1126/sciadv.aaw3255

【链接】 https://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaaw3255 

【摘要】Absorbers suppress reflection and scattering of an incident wave by dissipating its energy into heat. As material absorption goes to zero, the energy impinging on an object is necessarily transmitted or scattered away. Specific forms of temporal modulation of the impinging signal can suppress wave scattering and transmission in the transient regime, mimicking the response of a perfect absorber without relying on material loss. This virtual absorption can store energy with large efficiency in a lossless material and then release it on demand. Here, we extend this concept to elastodynamics and experimentally show that longitudinal motion can be perfectly absorbed using a lossless elastic cavity. This energy is then released symmetrically or asymmetrically by controlling the relative phase of the impinging signals. Our work opens previously unexplored pathways for elastodynamic wave control and energy storage, which may be translated to other phononic and photonic systems of technological relevance.