杜克大學(xué)和阿爾托大學(xué)(芬蘭)的研究人員構(gòu)建了一種能夠在任何方向上完美反射聲波的“元鏡”裝置。原理證明演示類似于直視鏡子，只看到你旁邊的人而不是你自己的臉。

“當(dāng)你觀察日常鏡子時，光線遵循反射定律：光線必須以與它相同的角度從光線反射回來，”杜克大學(xué)電氣和計算機(jī)工程博士生李俊飛說。 。同樣的規(guī)則通常適用于聲音，但“我們想看看我們是否可以在不同的方向發(fā)送波浪。”

為了打破聲波的反射定律，研究人員必須設(shè)計一種能夠精確控制整個波浪的振幅(響度)和速度的裝置，這比聽起來更難。

“我們能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法就是神奇地發(fā)射一種精確控制的聲波，這種聲波可以像撞擊臺球桌上的球那樣”撞擊“傳入的聲波，”李說。“但試圖這樣做會造成很多麻煩，這不是一個實際的想法。”

李和他的同事沒有訴諸魔法，而是轉(zhuǎn)向超材料 - 人造材料通過結(jié)構(gòu)而不是化學(xué)來操縱光線和聲音之類的波浪。例如，雖然研究人員設(shè)計的特定超材料是由塑料制成的，但塑料的特性并不重要; 它是設(shè)備功能的形狀，允許它在任何方向上引導(dǎo)聲波。

超材料的表面看起來很像波浪本身，蝕刻有一系列不同深度的通道。這些深度被設(shè)計成精確地控制聲波從元鏡的各個點反射的速度。它們的波狀定位控制著聲波的振幅。

杜克電氣和計算機(jī)工程教授史蒂夫庫默說：“因為聲波攜帶能量，你必須給它一個重新定位的能力。” “但要完美地做到這一點，你要么必須主動地重新分配元鏡面上的能量，這是不可行的，或者你必須巧妙地選擇能量分布最終在各處都相同的形狀。”

當(dāng)聲波撞擊元鏡時，它會從其曲面反射并干擾自身。在元鏡的形狀和其通道的深度之間，這種干涉圖案導(dǎo)致聲波在期望的方向上反射，而其任何能量都不會被吸收或散射在不希望的方向上。

在概念驗證演示中，超材料設(shè)備將聲波以3000赫茲的速度直接朝向它傳播，非常高的音高與“在你的耳朵里響起”并沒有什么不同，并且以70度的角度完美地反射它。

雖然原型設(shè)備專門針對一個頻率和反射角度而定制，但研究人員計劃采用一種動態(tài)設(shè)備，可以改變形狀以反映不同方向的不同頻率。他們還計劃在類似的水下聲學(xué)應(yīng)用設(shè)備上工作。

也可以創(chuàng)建類似的裝置來控制光波，盡管其特征必須以更小的尺度設(shè)計，因為光波長更短。這種裝置不僅能夠反射不同方向的光，而且還可以將單個波分成兩個任意方向。

“我們不僅找到了設(shè)計高效超曲面的方法，我們還可以根據(jù)不同的功能調(diào)整設(shè)計，”阿爾托大學(xué)博士后研究員AnaDíaz-Rubio說，他領(lǐng)導(dǎo)了該項目的基礎(chǔ)理論。“這些表面是任意控制反射的通用平臺。”