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2024-08-02
让我们想象一个假设的场景,两个人抓住一根绳子,每人握住一端。人 A 继续以上下运动方式摇动绳子,从而产生向人 B 传播的波。现在,如果位于人 A 和 B 之间的人 C 进行与绳子的波是否会被重定向回 A 人而不是到达 B 人?最初,这种情况似乎难以置信,因为人 C 并未与人 A 和 B 握着的绳子进行物理互动,这似乎违背了实现类似于在完美镜子中观察到的 100% 波反射的可能性。尽管如此,这种现象在物理学领域找到了解释,被称为“连续体束缚态(BIC)”。
BIC的研究涵盖了量子力学、光学、半导体和纳米光学等多个学科。利用这种现象有助于限制光粒子或光子,防止它们向前传播。此外,BIC 有望开发高灵敏度传感器。之前对 BIC 的研究主要集中在微米级和纳米级背景上,而缺乏使用可见结构来解释这种现象的研究。
最近,由浦项科技大学(POSTECH)机械工程系和化学工程系的 Junsuk Rho 教授以及机械工程系的博士生 Dongwoo Lee、Jeonghoon Park 和 Seokwoo Kim 领导的研究小组首次通过利用声弹性耦合结构成功地演示了连续体中的束缚态。该研究成果发表在全球力学领域最具影响力的期刊之一《Extreme Mechanics Letters》上。
研究小组设计了一个实验装置,旨在通过声音和弹性的相互作用来验证 BIC 现象的存在。从制造类似棍子的弹性杆开始,研究小组开始通过振动器在弹性杆中引起振动。随后,在弹性杆上的预定位置注入空气,产生声音和弹性之间的耦合。
实验中,当弹性行波的频率与声腔内产生的共振频率紧密结合时,会产生强烈的相互作用,导致弹性行波的完全反射。本质上,弹性波沿着它来的方向返回,无限地限制在一定的空间内,类似于遇到镜子时观察到的行为,尽管有足够的空间向前传播。虽然许多研究都探索了连续体中束缚态的利用,但这项研究代表了通过弹性和声音的结合揭示 BIC 现象的第一个实例。
Junsuk Rho 教授强调了研究结果的潜在影响,“这项研究表明声弹耦合的应用可以扩展到振动聚焦和能量存储。” 他补充道:“这项研究的结果为多种应用带来了希望,包括开发能够选择性隔离特定频率的滤波器,或改进将动能转化为电能的能量收集方法。”
该研究是在科学和信息通信技术部以及韩国国家研究基金会的支持下进行的。
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