研究团队开创了一类新型材料体系实现对声波与振动的独特控制

2025-08-01

康涅狄格大学工程学院（UConn CoE）的一支研究团队近日在声子学（Phononics）领域实现了一项重要里程碑：首次在实验中成功演示出全平带声子能带结构（All-Flat Phononic Band Structure, AFB）。声子学是研究声音与热传导控制的学科。相关成果已发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。该研究开创了一类新型材料体系，能够以前所未有的强度局域能量，实现对声波与振动的独特控制，为声学、振动隔离、能量采集等领域带来全新应用前景。

本项工作由康大极端与智能材料波动工程实验室（We-Xite）负责人Osama Bilal教授领衔。他指出，所设计的材料在实验中展现出双重功能——既能作为完美的声波真空，又能同步放大声波。

Bilal解释说：“能带结构中的‘平带’，是一种非常特殊的频率带，在整个波数范围内，其群速度始终为零。简言之，这意味着该频率下的声波不会传播，也不会扩散，从而导致能量在靠近波源的位置高度集中。”

论文合著者、博士生Mahmoud Samak补充道：“我们的研究方法表明，可以设计出在所有可能频率下隔离声波，并实现极高能量强度的同时局域化的材料。与传统波动局域现象不同，如那些依赖晶格缺陷或拓扑界面实现局域的方式，这种平带能量局域化不局限于材料的某个特定点、边界或表面。这一独特性质有望催生诸多全新应用，例如高级声学隐身、声波路径重构、能量收集与振动抑制等。”

该团队的研究起步于一个简单的质量-弹簧玩具模型，以识别实现全平带能带结构的必要条件。随后，研究者结合理论分析、数值模拟与实验测量，全面验证了这一设计路径的可行性。

研究的关键创新在于使用了一种带磁耦合的自由悬浮圆盘结构。这是他近年来持续开发的平台，能够提供材料所需的“接地刚度”，从而实现完整的声子全平带结构

展望未来，研究团队计划进一步优化其材料设计方法，并探索这类平带材料在实际中的可扩展性与集成能力，应用方向包括声波与振动隔离、为传感器或医疗器械进行能量采集、声透镜及声隐身技术等。

Bilal表示：“我们这项研究首次证实，声子的全平带结构不仅在理论上可行，也可以在实验中实现。这一发现的意义远不止于实验室的基本验证，更为声学技术、能量收集，乃至热管理的新技术打开了大门。”