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陈焕阳教授团队发表人工结构控制水波最新集成研究成果综述
发布时间:2024年04月10日 来源:物理科学与技术学院

澳门新浦新京网页物理科学与技术学院陈焕阳教授团队将变换光学设计方法推广到了水波,提出了变换水波力学理论,并在水波超构材料领域取得了一系列重要研究成果。应Nature Review Physics邀约,陈焕阳教授与合作者撰写的题为Controlling water waves with artificial structures的综述论文于近日在线发表。该综述论文系统介绍了利用人工结构控制水波的基本理论和方法,对水波晶体和水波超构材料的应用、历史及未来发展做了系统综述。

水波是一种由重力控制的机械波,和电磁波类似它也是一种经典波。由于地球大约70%是由海洋覆盖,水波资源十分丰富并且具有可再生及清洁的特点。然而,由于波浪漂移力的存在,水波会对漂浮在水面上的设备造成损害。因此,探索有效的水波控制方法显得尤为重要,相关研究也在海浪能量收集、海岸防护及海上结构防护方面具有应用前景。目前,光子晶体控制电磁波的概念已被推广到了声波。基于光子晶体的能带结构,人们设计出了许多相关的器件,例如光子晶体波导、光子晶体光纤、光子晶体微腔。近二十年,超构材料引起了广泛关注,随着变换光学理论的提出,许多基于超构材料的功能器件被设计出来,例如隐身衣、旋转衣、幻象光学器件等。除了电磁超构材料,超构材料的概念也可以被推广到声学、热学及流体力学系统。由于水波方程与麦克斯韦方程组之间的相似性,利用超构材料及光子晶体控制电磁波的方法可以推广至水波,水波与人工结构之间的相互作用可产生新现象及新应用。

陈焕阳教授团队及合作者从水波传播基本理论、水波晶体的能带结构及相关效应、水波超构材料设计方法及应用、未来发展四个方面对人工结构控制水波研究进行了综述。从水波传播的基本理论介绍开始,介绍了水波方程的近似方法及电磁波和水波方程之间的对应关系。并从光子晶体的角度讨论了水波晶体,介绍了水波晶体的能带及能带相关的一些特性及现象,如水波布洛赫态、水波超透镜、水波自准直现象及水波安德森局域效应。介绍了计算水波晶体能带的一些常用方法,包括平面波展开法、多重散射法、转移矩阵法和有限元法。该研究还介绍了设计水波超构材料的基本方法,包括等效媒质理论、相干近似法,重点介绍了将变换光学方法推广至水波超构材料的设计及水波超构材料的一些重要应用,包括利用水波超构材料实现水波各向异性水深、水波隐身、水波能量集中、水波隔波及水波单向传输等现象,与传统的实现水波调控的方法进行了比较。最后,该研究对水波调控在水波非线性、水波时变超构材料、超构水栅、水波拓扑、水波连续域中的束缚态、水波自旋、流体超构材料等方面的发展进行了展望。

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图1 常见的控制水波的结构。

(a)水底周期结构;(b)垂直阵列结构;(c)水面阵列结构;(d)水面薄板结构;(e)水底渐变结构;(f)层状结构。

澳门新浦新京网页博士后朱杉、复旦大学博士生赵锌宇、澳门新浦新京网页博士生韩林康是该论文的共同第一作者,澳门新浦新京网页陈焕阳教授和复旦大学胡新华教授是通讯作者,复旦大学资剑教授也给予大力支持,澳门新浦新京网页是论文第一完成单位。该工作也受到国家自然科学基金委面上项目、国家重点研发计划以及校长基金的资助,并且在澳门新浦新京网页“双一流”海洋——物理的布局下,受到澳门新浦新京网页物理系和水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室提供的教学示范基地和水浪平台的大力支持。

此前,围绕水波超构材料,陈焕阳教授课题组取得了一系列突破性成果。2009年,团队首次提出了各向异性水深和变换水波力学的理论,实验实现了水波波前旋转器件[ EPL 85, 24004 (2009)]。2018年,将法布里-珀罗共振的概念应用于水波能量集中器的设计,实验实现了水波的高效能量聚集,在海洋能利用方面具有重要的潜在应用[Phys. Rev. Lett. 121, 104501 (2018)],该成果入选PRL编辑推荐,被Nature、Physics WorldPNAS等亮点报道。2019年,将波导模式转化理论推广至水波,实现了水波宽频波导隐身,在海面设备防护方面具有重要应用[Phys. Rev. Lett. 123, 074501 (2019)],该成果入选PRL编辑推荐并被选为封面,被Science News、Physics Word等亮点报道。2022年,首次提出等效负水深的概念,发现了水波激元新物态,并利用涡旋源实验激发了单向传播的水波激元[Phys. Rev. Lett. 128, 204501 (2022)],成果入选PRL编辑推荐,并被Physics、MIT DeepTech、科技日报等亮点报道。相关成果连续获2021年度和2022年度福建省自然科学二等奖、2022-2023年度中国物理学会萨本栋应用物理奖。

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图2 水波能量集中器结构及实验结果图。当小船放置在集中器的中心区域,水波通过集中器时,小船会剧烈振动[Phys. Rev. Lett. 121, 104501 (2018)]。

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图3 水波波导隐身装置及实验结果。小船放置在水波波导的中心,水波通过波导时,小船纹丝不动[Phys. Rev. Lett. 123, 074501 (2019)]。

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图4 单向水波激元示意图及实验结果图。实验中可以看到在涡旋源激发下只有左边的小球会移动,具有单向输运的效果[Phys. Rev. Lett. 128, 204501 (2022)]。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s42254-024-00701-8

(物理科学与技术学院)

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