杜克大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn),他們一篇論文中描述的一種完美電磁波吸收器,可以很容易地轉(zhuǎn)換成一種被稱為相干完美吸收器(CPA)的“時間反轉(zhuǎn)激光器”。這項研究發(fā)表在2019年1月28日的《高級光學(xué)材料》上。激光是一種將能量轉(zhuǎn)換成相干光的裝置,這意味著光波彼此完美地排列在一起。相反的過程,CPA(有時被稱為時間反轉(zhuǎn)激光)是一種設(shè)備,它能從兩個完全相同的電磁波中,以完美同步的方式,從任意一側(cè)吸收所有的能量。也就是說,波浪的波峰和波谷恰好同時從兩側(cè)進(jìn)入物質(zhì)。
博科園-科學(xué)科普:2017年杜克大學(xué)(Duke)電子與計算機(jī)工程教授威利帕迪拉(Willie Padilla)制造出了第一種能夠在不含任何金屬原子的情況下,吸收電磁波能量近100%的材料。這種裝置是一種超材料合成材料,由許多獨立的、經(jīng)過工程設(shè)計的特征組成,共同產(chǎn)生自然界中沒有的特性。這種特殊的超材料以氧化鋯陶瓷為特色,其表面有凹槽,就像樂高積木的表面。通過改變圓柱體的大小和間距,對設(shè)備的性能進(jìn)行計算建模后,研究人員意識到他們實際上創(chuàng)造了一種更基本的CPA。帕迪拉說:我們以前研究過這個系統(tǒng)作為一個完美的吸收器,但是現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)這個裝置也可以配置成CPA。
這里描述的圓柱體寬度、高度和間距決定了新論文中描述的超材料如何吸收電磁能量。圖片:Kebin Fan, Duke University這項研究表明,這些看似不同的領(lǐng)域?qū)嶋H上是同一個領(lǐng)域。目前文獻(xiàn)中描述的都只有一種模式。當(dāng)傳入的電磁波要么完全對齊,要么完全不同步時,它們就會起作用。帕迪拉和帕迪拉實驗室的助理教授范克賓發(fā)現(xiàn),他們理想的吸收器實際上是CPA,它有兩種重疊模式:既能吸收對齊的波,也能吸收未對齊的波。通過改變材料的參數(shù),使這兩種模式不再重疊,帕迪拉和范能夠證明,它可以很容易地變得像目前文獻(xiàn)中的注冊會計師一樣,但具有更多的通用性。典型的只有一個變量,那就是材料的厚度,而新發(fā)現(xiàn)有三個:圓柱體的半徑、高度和周期性。這給了我們更多的空間來定制這些模式,并把它們放到我們想要的頻段上,這給了我們很大的靈活性來定制CPA。
實際超材料的圖片,由一個領(lǐng)域的特殊定制的圓柱體。圖片:Willie Padilla, Duke University在這篇論文中,研究人員展示了設(shè)備可以在吸收電磁波的所有相位和僅僅通過將圓柱體的高度從1.1毫米增加到1.4毫米之間進(jìn)行切換。有了這種簡單的過渡,相信設(shè)計一種可以在兩者之間動態(tài)切換的材料是可能的。雖然目前還沒有任何設(shè)備可以利用CPA的能力,但帕迪拉和范佩西想到了一些。理論上,研究人員可以設(shè)計出一種設(shè)備,不僅可以像普通相機(jī)那樣測量入射光的強(qiáng)度,還可以測量入射光的相位。如果想弄清楚一種材料的特性,測量的數(shù)據(jù)越多,就越能了解這種材料。雖然相干探測器確實存在,但通過其他技術(shù)制造它們的成本非常昂貴。
傳統(tǒng)的“反激光器”只能在入射電磁波完全對準(zhǔn)時吸收能量,如上圖所示。圖片:Duke University
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