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木虫 (职业作家)

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[交流] “密度”接近零的声学超材料，可制造针对声音的隐形斗篷

中国研究者们制造除了了一种可调谐，密度接近于零的薄膜超材料，能够有效地重建声波的量子隧穿效应
　　

声音穿过密度接近为零的薄膜的示意图。图片来源：刘晓峻/南京大学

声波遇到障碍物被散射时，信号可能会丢失或者退化。但如果你能用一种方法使信号绕过障碍物，仿佛干扰阻隔并不存在呢？最近，中国南京大学的科学家们用聚乙烯膜研制出了一种材料，可以实现上述效果。

他们的最终产品，如在本周发表在美国物理联合会出版的《应用物理杂志》中的论文所述，是一种有效密度接近于零（DNZ）的声学“超材料”。这项工作可能会赋予传输网络一些人们梦寐以求的性质，如实现尖锐拐角的高传输，高效的切波分裂和声波隐形。

“这就好像是整个[内部]空间结构消失了一样，”南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心物理系教授刘晓峻说。

“我们很好奇能否只用几个微小的薄膜制造出简单，紧凑，密度接近零的超材料，”刘教授说，“如果答案是肯定的，我们又能否用它来进一步操控声波，制造出声波隐形衣以及其他功能奇特的设备呢？”

以前科学家们的模型是试图用螺旋结构和声子晶体用来实现密度近零的“狄拉克锥”, 但这需要很大的物理尺度，复杂的几何结构以及难度很大的有效技巧使声波在散射圆柱体内速度减缓至超低--因此限制了这些模型的实用性。

在这篇论文中研究者们提出了一个可以在物理尺度上最小化地实现密度接近零的超材料的方法，它是由置于金属波导的方形网格内部，厚度为0.125毫米且中间有9毫米半径孔的聚乙烯薄膜构成。薄膜的密集共振显著减小了结构的有效质量密度，而有效质量密度是结构对于入射声波的动态响应的一种度量。根据牛顿第二定律，这种密度的削减可以使结构的平均加速度趋于无穷大，由此引起声波隧穿。

当声波以990赫兹的频率被传导，经过薄膜迅速加速时，薄膜成了声波的通道，它包裹着声波进入局部亚波长区。这样，声波在传导时相位不会积累，波前不会被扭曲--类似于量子隧穿效应，粒子可以穿越在经典力学中不可逾越的势垒。

在未来应用方面，该超材料还有可能被集成到声电路和结构中。当用于波长分离器时，研究人员们发现无论波的入射角如何，能量的传输效率可提升80%，

此外，研究人员还能通过调整薄膜的张力和物理尺寸来调谐超材料网络的频率，这是在以往的模型中无法做到的。

刘晓峻和他的同事们已经使用这种膜网制造出了一个平面双曲透镜，这是一种补偿通过透镜所丢失的携带图像精细细节的声波的装置。它可以为科学家们呈现物体的精细细节，如肿瘤，或者飞机机翼在工业检测中的微小缺陷等，这些细节在以往的仪器中由于衍射极限的限制是被无法观察到的。其他的应用还包括智能声学结构，如逻辑门，它可以通过改变声波传播的方向操控声波，可应用于传统电子器件和光子结构不适用的极端环境中的通信系统。

“我们的工作证实使质量密度接近零绝非仅仅是一个数学技巧，”刘晓峻说。（美国物理联合会张铮铮）

声音穿过密度接近为零的薄膜的示意图。图片来源：刘晓峻/南京大学

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