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我校陈焕阳教授和浙江大学王振宇教授联合在Physical
发布日期:2019-09-06

近日,我校电子科学与技术学院陈焕阳教授课题组联合浙江大学王振宇教授课题组在水波隐形装置研究方面取得重要突破,相关成果以“Broadband Waveguide Cloak for Water Waves”为题在线发表在《Physics Review Letter》杂志。

海洋是人类活动的重要场所,包括海上钻井、海上风力发电、水产养殖等。由于这些活动受到恶劣海洋环境的影响,如何灵活地控制水波传播、减少水波作用是海洋工程波浪力学领域的重要研究课题,受到广泛关注。最近,我校陈焕阳教授课题组联合浙江大学王振宇教授课题组,借鉴带有渐变折射率超材料的电磁波隐形的理论方法,提出并设计了一种带有渐变水深分布的波导隐身装置,该装置具有宽频隐身、鲁棒性好、构造简洁等特点。这种波导隐身装置可以在其中部区域大幅度地消减波浪高度,减少波浪在该隐形区域内对物体的阻力或摇摆效应,从而能够保护海上设施免受水波损坏。该成果首次发现并揭示了实现这种波导隐身的水波模式转换新物理机制,建立了一套水波调控理论方法和实验测试平台,为海洋波动力学研究提供了新思路和新方法,在港口、码头工程建设方面的作用也将备受期待。

该论文中,通过控制不同位置的水深来实现渐变折射率分布,再结合波导理论,设计了一种基于水波模式转换的宽带水波波导隐形装置,并且在大型波浪水槽中实测验证了它的有效性。水槽长60m,宽1.2m,高2m。渐变折射率超材料位于水槽底部两侧,由薄铁板制成,长为6m,宽为0.15m,分为三个区域,包括两个对称的弯曲形状部分和一个扁平形状的部分。实验中,水槽中水深为15-18cm,将一艘小船放置在该波导中心,在水波频率为0.6-0.9Hz时,小船在肉眼看起来几乎是固定不动的。这是因为小船位于水波“隐形”区域,由于渐变超材料的存在,引导水波绕开波导中心传播,使得波导中心区域内的物体免受水波的影响。另一方面,当将小船漂浮在渐变超材料上方时,由于水波能量汇聚在此处,使得小船的摇曳晃动加强。通过优化结构参数可以应用于不同的波浪环境,获得更大的隐形区域。

小船在波导隐形装置的中部区域“纹丝不动”。

陈教授和王教授希望能尽快将该成果推广应用到港口码头等近海工程,期待利用该隐形结构,使得当船舶在码头上靠泊时,平息水波,减少船体的晃动。

该成果入选PRL封面故事及编辑推荐,并且被APS的Physics以“Hydrodynamic Cloaks”为题亮点报道。Physics World头版头条以“Broadband cloak controls water waves in harbours”为题报道该成果,Science News也以“New cloaking devices could hide objects from water waves and currents”为题做专访报道。我校陈焕阳教授和浙江大学王振宇教授为共同通讯作者,苏州大学徐亚东副教授在理论方面提供重要贡献,柳清伙教授也提供诸多帮助,各方在理论和实验上紧密配合圆满完成。这项工作在国家重点研发计划、国家自然科学基金以及中央高校基础研究基金的资助下完成。这是陈教授加入厦大以来的第三篇PRL论文。

封面故事:https://journals.aps.org/prl/issues/123/7

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.074501

亮点报道:https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.123.074501

Physics World头条报道:

https://physicsworld.com/a/broadband-cloak-controls-water-waves/

Science News专访报道:

https://www.sciencenews.org/article/new-cloaking-devices-could-hide-objects-water-waves-and-currents


附:陈焕阳教授简介:

2001年9月至2005年7月在上海交通大学完成本科学习,期间曾以交换生身份至香港科技大学访学一个学期。2005年9月,保送上海交通大学,直接攻读博士学位,并于2008年6月提前2年毕业,期间曾以研究助理身份在香港科技大学陈子亭教授课题研究组工作近一年半。2008年9月至2009年9月,以博士后研究员身份继续在陈子亭教授课题组工作。2009年9月起至2016年11月任苏州大学物理科学与技术学院特聘教授、博士生导师,建立变换光学和超构材料的研究团队。2016年9月起加入厦门大学电子科学与技术学院电磁声学研究院。迄今为止,他在Nature Review Materials,Nature Materials,Nature Photonics,Nature Communications,Physical Review Letters 等国际著名期刊上公开发表学术论文逾120篇,引用超过5000次,最高单篇引用超过650次。其成果曾多次被Nature、Science等科学杂志报道或转载,关于声学隐形的结果则入选欧洲物理学会评选出来的2008年度物理学重大进展。2011年获全国百篇优秀博士学位论文。2013年获国家优秀青年科学基金项目。2013年以第一完成人获江苏省科技进步二等奖。2014年以第一完成人获教育部自然科学二等奖。2014至2018连续5年入选《中国高被引学者榜单》。2018年入选福建省“闽江学者奖励计划”特聘教授。课题组主页:

http://kenyon.xmu.edu.cn/ 

  责任编辑:曹熠婕

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