能讓聲音單向傳播！這豈不是能幹那啥了？

想像一下，你能聽到隔壁房間里的人在竊竊私語，而自己房間里喧鬧的派對是竊竊私語者聽不見。耶魯大學研究人員已經找到了一種方法來做到這一點（讓聲音單向傳播）這是一項基本的技術，從手機到引力波探測器，它無處不在。更重要的是，研究人員用同樣的方法來控制一個方向的熱量流動。這一發現為增強使用聲學諧振器電子設備提供了新的可能性。耶魯大學傑克·哈里斯實驗室的這一發現發表在《自然》上。耶魯大學物理學教授、該研究的首席研究員哈里斯說：

博科園：在這個實驗中，我們為聲波創造了一條單向路徑，具體來說，有兩個聲學諧振器。存儲在第一個諧振器中的聲音可以泄漏到第二個諧振器中，但反之亦然。研究團隊能夠通過一個「調諧旋鈕」(實際上是一種激光設置)來實現這一結果。根據聲波的方向，調諧旋鈕可以減弱或增強聲波。

然後研究人員將他們的實驗提升到一個不同水平。因為熱主要是由振動構成，所以把同樣的思想應用到熱從一個物體到另一個物體的流動上。通過使用單向聲音技巧，可以讓熱量從A點流向B點，或者從B點流向A點，而不管哪個點更冷或更熱。

在圖像中，一個柔性薄膜(灰色正方形)作為一個聲波諧振器，放置在兩個鏡子之間。當激光被困在鏡子之間時，它會反覆穿過薄膜。激光施加力用來控制薄膜的振動。圖片：Harris Lab/Yale University

這就像把一個冰塊放入一杯熱水中，冰塊變得越來越冷，而周圍的水卻變得越來越暖。然後，通過改變激光的單一設置，熱量以通常的方式流動，當液態水稍微冷卻時，冰塊逐漸變暖並融化。儘管在實驗中，交換熱量的不是冰塊和水，而是兩個聲學諧振器。雖然一些最基本的聲學諧振器例子可以在樂器甚至汽車排氣管中找到，但它們也存在於各種電子產品中。它們被用作感測器、過濾器和感測器，因為它們與廣泛的材料、頻率和製造過程兼容。該研究的第一作者是前耶魯大學博士後徐海潭

這項研究的共同作者是耶魯大學研究生江路遙和芝加哥大學助理學士。從引力波探測器到行動電話，機械諧振器是設備的重要組成部分。它們作為高性能感測器、感測器和過濾器，提供低損耗、可調諧的耦合到不同的物理系統，並與廣泛的頻率、材料和製造工藝兼容。

機械諧振器系統一般遵循互易性，這就保證了任意兩個諧振器之間的聲子透射係數與透射方向1,2無關。必須打破相互作用才能實現提供共振器之間聲波能量單向傳播的器件(如隔離器和循環器)。這些設備對於保護有源元件、降低雜訊和運行全雙工收發器至關重要。

到目前為止，非互易聲子器件3、4、5、6、7、8、9、10、11還沒有同時結合魯棒運行所必需的特性：強非互易性、原位可調性、緊湊集成和連續運行。此外，它們只應用於相干信號(而不是波動或雜訊)，並且只在行波系統(而不是諧振器)中實現。研究描述了一種利用腔隙-光力學相互作用在聲子諧振器之間產生魯棒非互易耦合的方案。該方案提供了約30分貝的隔離在連續運行，並可以在現場調整，只需通過階段的驅動音調適用於腔。此外，通過直接監測諧振腔的動力學，表明這種非互易性可以控制熱波動，這種控制代表了一種冷卻聲子諧振腔的方法。

博科園｜研究/來自:耶魯大學

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1061-2

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