具有弹性孤子振幅带隙的力学超材料

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　　在John Scott Russell观察到苏格兰运河中以稳定形状和恒定速度传播的非线性水波包 (water wavepackets) 后，孤子 (soliton) 的独特性质已在许多科学和工程领域得以研究和应用。在机械力学领域，粒状晶体 (granular crystal) 为实现高度非线性孤子波 (solitary waves) 的传播提供了一个有效的研究平台，可用于设计抗冲击缓冲层、透镜、开关和无损检测技术。然而，在粒状介质中观察到的孤子具有标量性质，缺乏在固体材料中传播的弹性波的多重极化 (multiple polarizations) 典型特征。


　　近日，来自美国哈佛大学的Katia Bertoldi教授课题组，以及清华大学的Qi He、法国勒芒大学的Vincent Tournat等人，结合实验、数值和分析工具来设计一种高度非线性的力学超材料，展现出弹性矢量孤子 (elastic vector solitons) 存在振幅带隙 (gaps in amplitude) 这样一种新现象，即禁止弹性孤子传播的振幅范围。

　　这种带隙与通常在线性声子晶体和声学超材料中观察到的频域谱带隙有着本质的区别，并且是由矢量孤子的两个极化之间缺乏强耦合引起的。


　　实验表明，这里的振幅带隙是研究系统的一个稳健 (robust) 特征，它的宽度可以通过改变单元的结构特性和破坏底层几何 (underlying geometry) 中的对称性来控制。作者指出，振幅带隙为操纵高度非线性的弹性脉冲提供了新的机会，正如所设计的孤子分离器和二极管器件。


　　相关工作发表在近期的《Nature Communications》上。Bolei Deng,Pai Wang, Qi He, Vincent Tournat & Katia Bertoldi, Metamaterials with amplitude gaps for elastic solitons, Nature Communications 9, Article number:3410 (2018).


　　文章链接：

　　https://www.nature.com/articles/s41467-018-05908-9


　　来源：两江科技评论公众号(ID：imeta-center)，作者： 颜学俊。