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西安交大科研人员在弯曲时空中的波传播特性研究方面取得新进展

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弯曲空间中的波动现象是一种非常常见的现象,以不同的尺度广泛存在于各个领域,比如光在黑洞系统中的传播、地震波以及利用波在弯曲结构中的传播进行结构健康检测等。对弯曲空间的研究不仅可以对其基本的理论和内在物理内涵进行认识和了解,而且还可以通过这种研究,利用弯曲空间的特性对波传播行为进行任意调控,具有重要的研究意义及价值。

近年来,变换光学理论的提出为电磁波的精确人工调控提供了一种前所未有的操控方式,也为各种新型功能器件设计提供了有力的工具,比如:完美隐身斗篷、超吸收器、高分辨率透镜等。根据光在弯曲空间与在非均匀介质中传播的相似性,变换光学理论也被用于模拟一些其他有趣的现象,如类比模拟电磁黑洞、虫洞等。但是这些结构要求其材料参数异常极端,即便使用人工超材料都很难实现。

   

近日,西安交通大学陈天宁教授课题组与英国伯明翰大学和香港科技大学李赞恒(Jensen Li)课题组合作提出采用利用变换理论来研究弯曲时空,建立了弯曲时空的理论变换模型及物理方程。利用纯几何曲率的方法来构造满足变换媒介所需要的材料参数要求,以弹性波在弯曲结构中的传播为研究平台,研究了弹性波在类比虫洞结构中波动特性、遂穿效应、焦散特性等,研究结果表明:弯曲时空中的波传播特性可以通过变换理论用更加简单的模型来研究;所设计的弹性波虫洞结构在虫洞半径大于某个阈值的时候,对波传播具有100%的遂穿效果;入射点和焦散线的尖端点满足特定的成像公式;弹性波作为实现平台可为弹性波在复杂结构中的传播提供一种新的思路。该研究方法和手段可为拓展到声学、光学等其他研究领域,如弯曲空间的波导、表面声传感等。

近日,相关研究成果以“Elastic Waves in Curved Space: Mimicking a Wormhole”为题,在国际权威期刊Physical Review Letters上在线发表。西安交通大学机械工程学院朱建为该论文的第一作者,西安交通大学机械工程学院为该论文第一作者和第一单位。

该项研究工作的到了国家自然科学基金、国家重大专项和国家留学基金委等的资助。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.234301

2018-12-20
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