Физики научились хранить и выпускать механические волны без потери энергии

Световые и звуковые волны лежат в основе переноса энергии и сигналов и имеют фундаментальное значение для некоторых наших самых базовых технологий — от сотовых телефонов до двигателей. Ученым, однако, еще предстоит разработать метод, который позволяет им сохранять волну неповрежденной в течение неопределенного периода времени, а затем направлять ее в нужное место по требованию.

Такое развитие событий значительно облегчит возможность манипулирования волнами для различных целей, включая сбор энергии, квантовые вычисления, мониторинг структурной целостности, хранение информации и многое другое.

В недавно опубликованной статье в журнале Science Advances группа исследователей во главе с Андреа Алу, экспериментально показали, что можно эффективно захватить и сохранить волну без изменений, а затем направить ее к определенному месту.

«Наш эксперимент доказывает, что нетрадиционные формы возбуждения открывают новые возможности для получения контроля над распространением и рассеянием волн», — сказал Алу. «Тщательно подбирая временную зависимость возбуждения, можно обмануть волну, чтобы она эффективно сохранялась, а затем выпустить ее по требованию в желаемом направлении».

Чтобы достичь своей цели, ученым пришлось разработать способ изменения базового взаимодействия волн и материалов. Когда световая или звуковая волна сталкивается с препятствием, она либо частично поглощается, либо отражается и рассеивается. Процесс поглощения влечет за собой немедленное преобразование волны в тепло или другие виды энергии.

Материалы, которые не могут поглощать волны, только отражают и рассеивают их. Цель исследователей состояла в том, чтобы найти способ имитировать процесс поглощения, не преобразовывая волну в другие виды энергии и не сохраняя ее в материале. Эта концепция, теоретически введенная группой ASRC два года назад, известна как когерентное виртуальное поглощение.

Чтобы доказать свою теорию, исследователи пришли к выводу, что им необходимо адаптировать временную эволюцию волн, чтобы при контакте с неабсорбирующими материалами они не отражались, не рассеивались и не передавались. Это предотвратит выход волны, падающей на конструкцию, и она будет эффективно захвачена внутри, как если бы она была поглощена. Затем сохраненная волна может быть выпущена по требованию.

Во время эксперимента исследователи распространяли две механические волны, распространяющиеся в противоположных направлениях вдоль волноводного стержня из углеродистой стали, который содержал полость. Изменения во времени каждой волны тщательно контролировались, чтобы гарантировать, что полость сохранит всю энергию удара. Затем, остановив возбуждение или отрегулировав одну из волн, они смогли контролировать высвобождение накопленной энергии и направлять ее в нужном направлении по требованию.

«Хотя мы провели эксперимент с проверкой концепции, используя упругие волны, распространяющиеся в твердом материале, наши выводы также применимы к радиоволнам и свету, предлагая захватывающие перспективы для эффективного сбора энергии, беспроводной передачи энергии, низкоэнергетической фотоники и в целом улучшенной контроль над распространением волн», говорят исследователи.

«Coherent virtual absorption of elastodynamic waves» Science Advances (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aaw3255 , https://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaaw3255