Физики спрятали механическую волну внутри «виртуального поглотителя»

Ученые продемонстрировали возможность запасания энергии механических колебаний без потерь, а также последующее направление их в нужную сторону. Для этого исследователи воспользовались идеей «виртуального поглощения», которая позволяет имитировать идеальное преобразование энергии волн, не используя потери в веществе. Авторы экспериментально продемонстрировали применимость подхода в случае продольных механических волн, результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Когда волна встречается с препятствием, она может поглотиться, рассеяться или отразиться. Чаще всего энергия колебаний частично расходуется по всем трем каналам, причем это справедливо для возмущений любой природы, в том числе для света и звука. Различные технологические применения требуют увеличения доли одного процесса и уменьшения других. В частности, зеркала должны преимущественно отражать волны, а не поглощать или рассеивать.

Эффективное поглощение падающих волн лежит в основе множества повсеместно используемых технологий, начиная от аккумулирования энергии солнечными батареями и обнаружения объектов радарами при помощи электромагнитных волн до звуко- и виброизоляции в области механических возмущений. Обычно при проектировании таких систем считается, что высокое поглощение достигается при подходящих параметрах вещества и волны, когда вся энергия набегающего возмущения превращается в тепло или расходуется на другие химические процессы.

Существует принципиально другой режим эффективного поглощения, называемый когерентным идеальным поглотителем (coherent perfect absorption, CPA), что в случае электромагнитных волн также называют антилазером. В основе этого явления лежит дополнительная свобода управления процессом взаимодействия с препятствием в случае набегания нескольких волн. В таком случае их интерференция в зависимости от интенсивностей и фаз позволяет контролировать поглощение и рассеяние. В частности, можно подобрать режим, при котором происходит практически полное превращение энергии колебаний в тепло. Антилазер был теоретически описан в 2010 году и реализован годом позже.

Поглощение CPA также было продемонстрировано для акустических колебаний, что открывает целый ряд интересных для науки и технологий применений. В частности, благодаря ему возможно создание сверхчувствительных детекторов или усилителей малых колебаний, а также преобразователей, улучшающих и управляющих процессом аккумулирования энергии.

В работе американских ученых под руководством Андреа Алу (Andrea Alù) из Техасского университета в Остине явление CPA впервые продемонстрировано для упругих волн в веществе. Фактически, ученым удалось имитировать процесс поглощения, не растрачивая энергию на тепло, а сохраняя колебание внутри поглотителя.

«Наш эксперимент подтверждает, что нетипичные формы возбуждений открывают новые возможности в плане управления движением и рассеянием волны, — говорит Алу. — Путем тщательной настройки временной зависимости возбуждений можно эффективно сохранить волну, а затем контролируемо освободить ее в нужном направлении».

Авторы использовали непоглощающий упругие волны материал — углеродистую сталь. Длинный металлический брусок выступал в роли волновода, а посередине у него находилось утолщение, которое выступало в качестве препятствия. Возмущения со специально подобранными параметрами создавались на обоих концах волновода. В результате интерференции этих волн в центральной части бруска удавалось достичь подавления отражения и рассеяния. Так как вещество по своим свойствам также не может преобразовать энергию волн в тепло, то они оказывались заперты внутри, причем это происходило без потерь.

Авторы называют полученную систему «виртуальным поглотителем», так как она имитирует поглощение в том смысле, что подавляет рассеяние и отражение, но при этом не происходит потерь энергии или преобразования ее в другие формы. «Сохраненные» колебания затем можно было освободить в желаемый момент времени и в нужную сторону также путем изменения свойств падающих волн.

Исследователи отмечают, что описанный феномен одинаково применим к волнам разной природы и может пригодиться в большом количестве областей: в беспроводной передаче данных, фотонике, преобразовании механической энергии в электрическую, усилении слабых сигналов и многих других.

Ранее физикам удалось охладить до основного состояния все осевые колебания двумерного кристалла, также они смогли собрать больше энергии с океанских волн при помощи метаматериалов и выяснили, как акустические волны мешают ровно разламывать кремниевые пластинки.

Тимур Кешелава