Gennembrud muliggør lagring og frigivelse af mekaniske bølger uden energitab

Lys- og lydbølger er grundlaget for energi og signaltransport og grundlæggende for nogle af vores mest basale teknologier - fra mobiltelefoner til motorer. Videnskabsfolk, imidlertid, har endnu ikke udtænkt en metode, der giver dem mulighed for at lagre en bølge intakt i et ubestemt tidsrum og derefter lede den mod en ønsket placering på forespørgsel. En sådan udvikling ville i høj grad lette evnen til at manipulere bølger til en række forskellige anvendelser, herunder energihøstning, kvanteberegning, strukturel integritetsovervågning, opbevaring af oplysninger, og mere.

I et nyligt udgivet papir i Videnskab fremskridt , en gruppe forskere under ledelse af Andrea Alù, grundlægger af Photonics Initiative ved Advanced Science Research Center (ASRC) på The Graduate Center, CUNY, og af Massimo Ruzzene, professor i luftfartsteknik ved Georgia Tech, har eksperimentelt vist, at det er muligt effektivt at fange og gemme en bølge intakt og derefter lede den mod en bestemt placering.

"Vores eksperiment viser, at ukonventionelle former for excitation åbner nye muligheder for at få kontrol over bølgeudbredelse og spredning, "sagde Alù." Ved omhyggeligt at skræddersy excitationens tidsafhængighed, det er muligt at narre bølgen til effektivt at blive lagret i et hulrum, og slip den derefter efter behov i den ønskede retning. "

Metodik

For at nå deres mål, forskerne måtte udtænke en måde at ændre det grundlæggende samspil mellem bølger og materialer. Når en lys- eller lydbølge rammer en forhindring, den absorberes enten delvist eller reflekteres og spredes. Absorptionsprocessen indebærer øjeblikkelig omdannelse af bølgen til varme eller andre former for energi. Materialer, der ikke kan absorbere bølger, reflekterer og spreder dem kun. Forskernes mål var at finde en måde at efterligne absorptionsprocessen uden at konvertere bølgen til andre energiformer og i stedet lagre den i materialet. Dette koncept, introduceret teoretisk for to år siden af ​​ASRC -gruppen, er kendt som sammenhængende virtuel absorption.

For at bevise deres teori, forskerne begrundede, at de var nødt til at skræddersy bølgernes tidsudvikling, så når de kom i kontakt med ikke-abosorberende materialer, de ville ikke blive afspejlet, spredt, eller transmitteret. Dette ville forhindre, at bølgen, der ramte strukturen, undslap, og det ville blive effektivt fanget indeni, som om det blev absorberet. Den lagrede bølge kunne derefter frigives efter behov.

Under deres eksperiment, forskere formerede to mekaniske bølger, der rejste i modsatte retninger langs en bølgelederstang i kulstofstål, der indeholdt et hulrum. Tidsvariationerne for hver bølge blev omhyggeligt kontrolleret for at sikre, at hulrummet ville beholde al den påvirkende energi. Derefter, ved at stoppe excitationen eller afstemme en af ​​bølgerne, de var i stand til at kontrollere frigivelsen af ​​den lagrede energi og sende den mod en ønsket retning efter behov.

"Mens vi kørte vores proof-of-concept-eksperiment ved hjælp af elastiske bølger, der rejste i et fast materiale, vores fund finder også anvendelse på radiobølger og lys, tilbyder spændende udsigter til effektiv energiindsamling, trådløs strømoverførsel, lavenergifotonik, og generelt forbedret kontrol med bølgeudbredelse, sagde Ruzzene.