Исследователи из Университета Дьюка и Университета Аалто (Финляндия) создали мета-зеркало – прибор, способный прекрасно отражать звуковые волны в любом направлении. Демонстрация доказательства принципа аналогична тому, как смотреть прямо в зеркало и видеть только человека рядом с вами, а не ваше собственное лицо.
Когда вы смотрите в обычное зеркало, свет следует закону отражения: свет должен отражаться от него под тем же углом, под которым он вошел.
Сотрудники кафедры электротехники и вычислительной техники Университета Дьюка рассказывают, что они хотели посмотреть, можно ли вместо этого послать волну в другом направлении.
Чтобы нарушить закон отражения звуковыми волнами, исследователям пришлось сконструировать устройство, которое могло бы точно контролировать амплитуду (громкость) и скорость на протяжении всей волны.
По мнению исследователей, один из способов достичь этого - магическим образом запустить точно контролируемую звуковую волну, которая ударяет входящую звуковую волну, как шары на бильярдном столе. Но попытка сделать это вызовет столько проблем, что это не практичная идея.
Вместо того, чтобы прибегнуть к магии, ученые обратились к метаматериалам - искусственным материалам, которые манипулируют волнами, как светом и звуком, через их структуру, а не химию. Например, в то время как конкретный метаматериал, разработанный исследователями, сделан из пластика, важны не свойства пластика, а формы функций устройства, которые позволяют ему управлять звуковыми волнами в любом направлении.
Поверхность метаматериала очень похожа на саму волну, вытравленную рядом каналов различной глубины. Те глубины проектированы точно для того, чтобы контролировать скорость, на которой звуковая война отражает с различных пунктов мета-зеркала. Их волнообразное позиционирование контролирует амплитуду звуковой волны.
Как считают ученые, поскольку звуковая волна несет энергию, ей нужно дать толчок, чтобы перенаправить ее. Но чтобы сделать это идеально, нужно либо активно перераспределять энергию по поверхности мета-зеркала, что невозможно, либо умно выбрать форму, в которой распределение энергии будет одинаковым везде.
Между формой мета-зеркала и глубиной его каналов интерференционная картина приводит к тому, что звуковая волна отражается в нужном направлении без поглощения или рассеивания ее энергии в нежелательном направлении.
В демонстрации доказательства концепции метаматериал принимает звуковую волну, движущуюся прямо к нему на 3000 Герц и отлично отражает его под углом 70 градусов.
Исследователи планируют изучить динамический прибор, который смог изменить форму для того, чтобы отразить различные частоты в различных направлениях. Они также планируют работать на подобных приборах для подводных применений акустики.
Аналогичное устройство также может быть создано для управления световыми волнами, хотя его функции должны быть спроектированы в гораздо меньших масштабах, поскольку длины световых волн короче. Такое устройство не только сможет отражать свет в разных направлениях, но и может разделить одну волну на два произвольных направления.
Ученые не только придумали способ проектирования высокоэффективных метаповерхностей, но и возможность адаптировать их для различных функциональных возможностей. Эти метаповерхности являются универсальной платформой для произвольного управления отражением.
