激光器是一種完美的光源（只要提供能量，它就能產(chǎn)生一種特定、清晰的顏色）。然而，也有可能創(chuàng)造出它的對(duì)立面：一個(gè)完全吸收某種顏色的光并幾乎完全耗散能量的物體。

維也納大學(xué)研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種利用這種效應(yīng)的方法，即使是在光波向各個(gè)方向隨機(jī)散射非常復(fù)雜的系統(tǒng)中。該方法是在維也納計(jì)算機(jī)模擬的幫助下開發(fā)，并與尼斯大學(xué)合作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這為所有與波浪現(xiàn)象有關(guān)的技術(shù)學(xué)科開辟了新可能性，這項(xiàng)新方法現(xiàn)已發(fā)表在《自然》期刊上。

吸收波的隨機(jī)結(jié)構(gòu)

維也納理工大學(xué)理論物理研究所的斯特凡·羅特教授說：我們每天都在處理以一種復(fù)雜方式散射的波——試想一下，一個(gè)手機(jī)信號(hào)在到達(dá)你的手機(jī)之前會(huì)被反射好幾次。所謂的隨機(jī)激光器就是利用這種多重散射。這種奇特的激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、隨機(jī)，在提供能量時(shí)，會(huì)發(fā)出一種非常獨(dú)特的光模式。通過數(shù)學(xué)計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬，Rotter團(tuán)隊(duì)可以證明這個(gè)過程也可以在時(shí)間上逆轉(zhuǎn)。不像光源依靠隨機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)出特定的波，也可以制造出完美的吸收器。

根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，完全地消散一種特定的波，而不讓它的任何部分逃逸。這可以想象成制作一部普通激光發(fā)射激光的電影，然后反向播放。Stefan Rotter說：由于這種時(shí)間反轉(zhuǎn)類比于激光，這種類型的吸收器被稱為反激光吸收器。到目前為止，這種反激光器只在一維結(jié)構(gòu)中被實(shí)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)被來自相反方向的激光擊中。該研究能夠證明，即使是任意復(fù)雜的二維或三維結(jié)構(gòu)也能完美地吸收一種特制的波。這樣，這個(gè)概念就可以被廣泛應(yīng)用。

完美的吸波器

研究項(xiàng)目的主要成果是：對(duì)于每一個(gè)吸收足夠強(qiáng)波的物體，都能發(fā)現(xiàn)一定的波形，并且被這個(gè)物體完美的吸收。Stefan Rotter說：然而，如果認(rèn)為吸收器必須足夠堅(jiān)固，這樣它就能輕易地吞下所有的入射波，那就錯(cuò)了。相反，有一個(gè)復(fù)雜的散射過程，在這個(gè)過程中，入射波分裂成許多部分波，然后這些部分波相互重疊，相互干擾，導(dǎo)致最終沒有任何部分波可以發(fā)出。反激光中的弱吸收器就足夠了——例如，接收電磁波能量的簡(jiǎn)單天線。為了測(cè)試計(jì)算，研究小組與尼斯大學(xué)合作?！蹲匀弧菲诳谝蛔髡邉P文·皮切勒(Kevin Pichler)目前正在斯蒂芬·羅特(Stefan Rotter)的團(tuán)隊(duì)中撰寫論文。

與尼斯大學(xué)(University of Nice)烏爾里?！鞝?Ulrich Kuhl)教授一起花了幾周時(shí)間，利用微波實(shí)驗(yàn)將該理論付諸實(shí)踐。實(shí)際上，理論家做這個(gè)實(shí)驗(yàn)有點(diǎn)不尋常，然而能夠在這個(gè)項(xiàng)目的各個(gè)方面工作，從理論概念到實(shí)驗(yàn)室的實(shí)施，這是特別令人興奮的。實(shí)驗(yàn)室建造的“隨機(jī)反激光”由一個(gè)帶有中央吸收天線的微波室組成，周圍環(huán)繞著隨機(jī)排列的聚四氟乙烯圓柱體。這些圓柱體就像水坑里的石頭，水波在水坑里會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)和反射，這些圓柱體會(huì)散射微波，形成復(fù)雜的波型。

Kevin Pichler解釋說：首先從外部通過系統(tǒng)發(fā)送微波，然后測(cè)量它們到底是如何返回的。了解到這一點(diǎn)，隨機(jī)裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就可以得到充分的表征。這樣就可以計(jì)算出在適當(dāng)?shù)奈諒?qiáng)度下被中心天線完全吸收的波。事實(shí)上，當(dāng)在實(shí)驗(yàn)中實(shí)施這個(gè)方案時(shí)，發(fā)現(xiàn)大約99.8%的入射信號(hào)被吸收。反激光技術(shù)還處于早期階段，但很容易想到潛在的應(yīng)用。Stefan Rotter說：想象一下，比如說，你可以用正確的方式調(diào)整手機(jī)信號(hào)，讓它完全被手機(jī)的天線吸收。在醫(yī)學(xué)上也經(jīng)常處理把波能量傳輸?shù)揭粋€(gè)非常特定的點(diǎn)的任務(wù)，比如沖擊波粉碎腎結(jié)石。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自: 維也納科技大學(xué)

參考期刊文獻(xiàn):《Nature》

DOI: 10.1038/s41586-019-0971-3

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