Ljus- och ljudvågor är grunden för energi och signaltransport och grundläggande för några av våra mest grundläggande tekniker - från mobiltelefoner till motorer. Forskare, dock, har ännu inte utvecklat en metod som tillåter dem att lagra en våg intakt under en obestämd tidsperiod och sedan rikta den mot en önskad plats på begäran. En sådan utveckling skulle i hög grad underlätta förmågan att manipulera vågor för en mängd olika användningsområden, inklusive energiskörd, kvantberäkning, övervakning av strukturell integritet, informationslagring, och mer.

I en nyutgiven tidning i Vetenskapliga framsteg , en grupp forskare ledd av Andrea Alù, grundande chef för Photonics Initiative vid Advanced Science Research Center (ASRC) vid Graduate Center, KUNIG, och av Massimo Ruzzene, professor i flygteknik vid Georgia Tech, har experimentellt visat att det är möjligt att effektivt fånga och lagra en våg intakt och sedan styra den mot en specifik plats.

"Vårt experiment bevisar att okonventionella former av excitation öppnar nya möjligheter att få kontroll över vågutbredning och spridning, " sa Alù. "Genom att noggrant skräddarsy tidsberoendet för excitationen, det är möjligt att lura vågen att effektivt lagras i en hålighet, och släpp den sedan på begäran mot önskad riktning."

Metodik

För att uppnå sitt mål, forskarna var tvungna att hitta ett sätt att förändra den grundläggande interaktionen mellan vågor och material. När en ljus- eller ljudvåg träffar ett hinder, den absorberas antingen delvis eller reflekteras och sprids. Absorptionsprocessen innebär att vågen omedelbart omvandlas till värme eller andra former av energi. Material som inte kan absorbera vågor bara reflekterar och sprider dem. Forskarnas mål var att hitta ett sätt att efterlikna absorptionsprocessen utan att omvandla vågen till andra former av energi och istället lagra den i materialet. Detta koncept, introducerades teoretiskt för två år sedan av ASRC-gruppen, är känt som koherent virtuell absorption.

För att bevisa sin teori, forskarna resonerade att de behövde skräddarsy vågornas tidsutveckling så att när de kom i kontakt med icke-absorberande material, de skulle inte reflekteras, spridd, eller överförs. Detta skulle förhindra att vågen som träffar strukturen kommer ut, och det skulle effektivt fångas inuti som om det skulle absorberas. Den lagrade vågen kan sedan släppas på begäran.

Under deras experiment, forskare förökade två mekaniska vågor som färdades i motsatta riktningar längs en vågledarstång i kolstål som innehöll en hålighet. Tidsvariationerna för varje våg kontrollerades noggrant för att säkerställa att kaviteten skulle behålla all den infallande energin. Sedan, genom att stoppa excitationen eller avstämma en av vågorna, de kunde kontrollera frigörandet av den lagrade energin och skicka den mot en önskad riktning på begäran.

"Medan vi körde vårt proof-of-concept-experiment med elastiska vågor som färdades i ett fast material, våra resultat är också tillämpliga på radiovågor och ljus, erbjuder spännande möjligheter för effektiv energiskörd, trådlös kraftöverföring, lågenergifotonik, och generellt förbättrad kontroll över vågutbredning, sa Ruzzene.