位于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(jīng)開發(fā)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，并將其定位在角落。根據(jù)2018年12月31日發(fā)表在《自然材料》（Nature Materials）上的一篇新論文，這種新設(shè)計材料創(chuàng)造了一種穩(wěn)健的聲學結(jié)構(gòu)，即使在制造缺陷存在的情況下，這種結(jié)構(gòu)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(shù)，例如sonars和超聲波設(shè)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。

    卡尼卡夫是CCNY電氣工程和物理系的教授，也是ASRC的成員，他們的進展是基于將拓撲數(shù)學領(lǐng)域引入材料科學領(lǐng)域的研究。拓撲學研究不受連續(xù)變形影響的物體性質(zhì)。例如一個甜甜圈在拓撲上相當于一根塑料吸管，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(yù)測并發(fā)現(xiàn)了拓撲學絕緣體：一種特殊的材料，它只在邊緣傳導(dǎo)電流，而不是在體積上。它們不同尋常的導(dǎo)電性能源于它們的電子帶隙拓撲結(jié)構(gòu)，因此它們對無序、噪聲或缺陷等連續(xù)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(lǐng)域，已經(jīng)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(dǎo)和定位聲音。為了設(shè)計這種新型的聲學超材料，研究小組3D打印了一系列小三聚體，排列并連接在一個三角形網(wǎng)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(zhuǎn)對稱性和晶格的廣義手性對稱性，賦予了結(jié)構(gòu)獨特的聲學特性，這些特性來源于它們的聲帶隙拓撲結(jié)構(gòu)。諧振腔的聲模混合，形成了整個物體的聲帶結(jié)構(gòu)。結(jié)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(nèi)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制造錯誤的影響。可以完全移除一個角，剩下的部分就會形成晶格的新角，由于這些性質(zhì)的穩(wěn)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(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)，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，還展示了基于3D打印聲學元件的先進制造技術(shù)，可以在一個簡單靈活的平臺上實現(xiàn)任意復(fù)雜的幾何形狀，為聲學材料領(lǐng)域帶來顛覆性的機遇。近年來正在研究基于這些技術(shù)的更復(fù)雜的三維超材料設(shè)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)可能會在超聲波成像、水下聲學和聲納技術(shù)中得到應(yīng)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博科園-傳遞宇宙科學之美

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責任編輯：殷鵬飛

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