新發現「超材料」具有固有的強大聲音傳輸特性！

位於紐約城市大學研究生中心的高級科學研究中心(ASRC)和紐約城市學院(CCNY)研究人員已經開發出一種超材料，這種材料可以以異常強健的方式沿著邊緣傳輸聲音，並將其定位在角落。根據2018年12月31日發表在《自然材料》(Nature Materials)上的一篇新論文，這種新設計材料創造了一種穩健的聲學結構，即使在製造缺陷存在的情況下，這種結構也能以不同尋常的方式控制聲音的傳播和定位。這種獨特特性可能會改進使用聲波的技術，例如sonars和超聲波設備，使它們更能抵抗缺陷。這項研究是由亞歷山大·卡尼卡夫(Alexander Khanikaev)和安德里亞·阿魯(Andrea Alu)的實驗室合作完成。

博科園-科學科普：卡尼卡夫是CCNY電氣工程和物理系的教授，也是ASRC的成員，他們的進展是基於將拓撲數學領域引入材料科學領域的研究。拓撲學研究不受連續變形影響的物體性質。例如一個甜甜圈在拓撲上相當於一根塑料吸管，因為它們都有一個洞。一個可以通過拉伸和變形物體而被塑造成另一個，而不需要撕裂它或增加新的孔。利用拓撲學原理，研究人員預測並發現了拓撲學絕緣體：一種特殊的材料，它只在邊緣傳導電流，而不是在體積上。它們不同尋常的導電性能源於它們的電子帶隙拓撲結構，因此它們對無序、雜訊或缺陷等連續變化具有不同尋常的抵抗力。將這些想法從電流擴展到其他類型的信號傳輸，特別是拓撲光子學和拓撲聲學領域，已經引起了很多人的興趣。

變形孔戈米晶格中體積極化躍遷的概念及測量。圖片：Nature Materials (2018). DOI: 10.1038/s41563-018-0252-9

研究人員正在做的是建造一種特殊的聲學材料，這種材料可以以非常不尋常的方式引導和定位聲音。為了設計這種新型的聲學超材料，研究小組3D列印了一系列小三聚體，排列並連接在一個三角形網格中。每個三聚體單元由三個聲學諧振器組成。三聚體的旋轉對稱性和晶格的廣義手性對稱性，賦予了結構獨特的聲學特性，這些特性來源於它們的聲帶隙拓撲結構。諧振腔的聲模混合，形成了整個物體的聲帶結構。結果當聲音以帶隙外的頻率播放時，它可以通過大部分材料傳播。但當聲音以帶隙內的頻率播放時，它只能沿著三角形的邊緣傳播或定位在三角形的角上，這種性能不受無序或製造錯誤的影響。可以完全移除一個角，剩下的部分就會形成晶格的新角，由於這些性質的穩健性，它仍然會以類似的方式運作。

為了打破這些特性，研究人員必須減少材料的對稱性，例如改變諧振腔單元之間的耦合，從而改變帶結構的拓撲結構，從而改變材料的特性。研究人員Khanikaev說：我們是第一個建立拓撲超材料的聲音支持不同形式的拓撲定位，沿其邊緣和角落，還展示了基於3D列印聲學元件的先進位造技術，可以在一個簡單靈活的平台上實現任意複雜的幾何形狀，為聲學材料領域帶來顛覆性的機遇。近年來正在研究基於這些技術的更複雜的三維超材料設計，這將進一步擴展聲學材料的性能和聲學器件的能力。從根本上說，有可能實現比我們過去所習慣的更為強大的新型聲音傳輸方式。這些發現可能會在超聲波成像、水下聲學和聲納技術中得到應用。

博科園-科學科普｜研究/來自：紐約市立大學高級科學研究中心

參考期刊文獻:《Nature Materials》

論文DOI: 10.1038/s41563-018-0252-9

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