徐亚东副教授与浙江大学合作以共同第一作者在Physics Review Letter以封面论文发表超构材料方面的科研成果

在过去的二十年中,光/声超构材料、超构表面被广泛用于操控光/声波的振幅、相位、偏振以及传播等,由于具备超常规物理性质,为实现诸多异常波动现象、设计新型功能波动器件提供了新的思路和材料基础。然而,三维超构材料(体材料)尺寸大、结构复杂、难以制备并且材料损耗大,制约着相关研究的发展。超构表面,由于存在阻抗不匹配、高级次衍射等问题,大部分基于广义折射、反射定律方法设计的器件,在转换效率上存在内在的局限性。事实上,近年来随着超构表面研究的不断深入,多个课题组提供利用超构光栅(厚度在一个波长左右)解决超构表面转化效率低的问题。

2012年徐亚东副教授和陈焕阳教授提出一种厚度尺寸在一个波长左右的渐变超构表面/光栅来调控光场的新思路,既克服体材料吸收大、难于加工的缺点,也可克服现有超表面阻抗匹配存在的问题,但同时又具有二者的优势和常规超构表面不具备的相位调控的灵活性。利用厚度尺寸在一个波长左右的渐变折射率超构材料,他们实现了不依赖于偏振的不对称传输现象[Nat. Commun. 3, 2561 (2013)],揭示了模式演化的物理机制。在此基础上,他们先后设计和实现了宽波段、偏振无关的电磁波导隐身器件[Sci. Rep. 5, 12106 (2015)]、宽波段完美波导转弯器件[Sci. Rep. 5, 18223 (2015)]Fano共振现象[Sci. Rep. 6, 19927 (2016)]等一系列新效应和新器件。正因为这一独特研究思想和取得的相关研究进展,2016Nature Reviews Materials邀请他们撰写题为Planar gradient metamaterials的综述论文[Nat. Rev. Mater. 1, 16067 (2016)],侧重于介绍厚度尺寸一个波长左右的平面光子器件最新研究进展。最近,他们又在厚度尺寸在一个波长左右的渐变超构表面中发现了奇偶性相关的异常衍射现象和新的光栅衍射规律[Nat. Commun. 10, 2326 (2019);Phys. Rev. Appl. 12, 024006 (2019)]

近日发表在PRL上的水波隐身器件最新成果,又是一个厚度尺寸在一个波长左右的人工微结构材料的实际应用。海洋是人类活动的重要场所,包括海上钻井、海上风力发电、水产养殖等。由于这些活动受到恶劣海洋环境的影响,如何灵活地控制水波传播、减少水波作用是海洋工程波浪力学领域的重要研究课题,受到广泛关注。借鉴带有渐变折射率超材料的电磁波隐形的理论方法,提出并设计了一种带有渐变水深分布的波导隐身装置,可以在其中部区域大幅度地消减波浪高度,减少波浪在该隐形区域内对物体的阻力或摇摆效应,从而能够保护海上设施免受水波损坏,具有宽频隐身、鲁棒性好、构造简洁等特点。这种波导隐身装置可以在其中部区域大幅度地消减波浪高度,减少波浪在该隐形区域内对物体的阻力或摇摆效应,从而能够保护海上设施免受水波损坏。该成果首次发现并揭示了实现这种波导隐身的水波模式转换新物理机制,建立了一套水波调控理论方法和实验测试平台,为海洋波动力学研究提供了新思路和新方法,在港口、码头工程建设方面的作用也将备受期待。相关成果以“Broadband Waveguide Cloak for Water Waves”为题发表在《Physical Review Letters》上。

        

小船在波导隐形装置的中部区域“纹丝不动”          隐身装置的几何示意图和实验装置

  

   该成果入选PRL封面故事及编辑推荐,并且被APSPhysics以“Hydrodynamic Cloaks”为题亮点报道。Physics World头版头条以“Broadband cloak controls water waves in harbours”为题报道该成果,Science News也以“New cloaking devices could hide objects from water waves and currents”为题做专访报道。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.074501

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