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(shí)間反轉(zhuǎn)激光器”。這項(xiàng)研究發(fā)表在2019年1月28日的《高級(jí)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(guò)程，CPA（有時(shí)被稱為時(shí)間反轉(zhuǎn)激光）是一種設(shè)備，它能從兩個(gè)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(shuō)，波浪的波峰和波谷恰好同時(shí)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(jì)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(dú)立的、經(jīng)過(guò)工程設(shè)計(jì)的特征組成，共同產(chǎn)生自然界中沒(méi)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(lè)高積木的表面。通過(guò)改變圓柱體的大小和間距，對(duì)設(shè)備的性能進(jìn)行計(jì)算建模后，研究人員意識(shí)到他們實(shí)際上創(chuàng)造了一種更基本的CPA。帕迪拉說(shuō)：我們以前研究過(guò)這個(gè)系統(tǒng)作為一個(gè)完美的吸收器，但是現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)這個(gè)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(xiàng)研究表明，這些看似不同的領(lǐng)域?qū)嶋H上是同一個(gè)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(duì)齊，要么完全不同步時(shí)，它們就會(huì)起作用。帕迪拉和帕迪拉實(shí)驗(yàn)室的助理教授范克賓發(fā)現(xiàn)，他們理想的吸收器實(shí)際上是CPA，它有兩種重疊模式：既能吸收對(duì)齊的波，也能吸收未對(duì)齊的波。通過(guò)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(cè)會(huì)計(jì)師一樣，但具有更多的通用性。典型的只有一個(gè)變量，那就是材料的厚度，而新發(fā)現(xiàn)有三個(gè)：圓柱體的半徑、高度和周期性。這給了我們更多的空間來(lái)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(lái)定制CPA。
實(shí)際超材料的圖片，由一個(gè)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(guò)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(jiǎn)單的過(guò)渡，相信設(shè)計(jì)一種可以在兩者之間動(dòng)態(tài)切換的材料是可能的。雖然目前還沒(méi)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(jì)出一種設(shè)備，不僅可以像普通相機(jī)那樣測(cè)量入射光的強(qiáng)度，還可以測(cè)量入射光的相位。如果想弄清楚一種材料的特性，測(cè)量的數(shù)據(jù)越多，就越能了解這種材料。雖然相干探測(cè)器確實(shí)存在，但通過(guò)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(duì)準(zhǔn)時(shí)吸收能量，如上圖所示。圖片：Duke University
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