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海洋是人類活動(dòng)重要場(chǎng)所，如果能靈活控制水波傳播方向，減少海浪對(duì)相關(guān)設(shè)備的侵襲，將極大便利人類活動(dòng)，對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)也有積極意義。近日，廈門大學(xué)陳煥陽(yáng)教授課題組借鑒人工表面等離激元的理論方法，在水波局域現(xiàn)象研究取得重要突破，提出水波極化激元新概念，并通過(guò)設(shè)計(jì)的超材料結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水波的單向傳播。近日，國(guó)際期刊《物理評(píng)論快報(bào)》對(duì)相關(guān)成果進(jìn)行了重點(diǎn)報(bào)道。

研究人員發(fā)現(xiàn)，橫磁場(chǎng)模式的麥克斯韋方程組和表面水波的亥姆霍茲方程具有相似性，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)張量和水深張量相互對(duì)應(yīng)，因此可以通過(guò)控制不同地方的水深來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的折射率分布。但該類比具有一定的局限性，只適用于均勻的重力系統(tǒng)。為了求解更加復(fù)雜的水波系統(tǒng)，研究人員推導(dǎo)出了一般情況下的淺水波動(dòng)方程，它不僅適用各向異性且非均勻的水深，也適用非均勻重力系統(tǒng)。

研究中，他們提出并設(shè)計(jì)了一種一維凹槽陣列，首次實(shí)現(xiàn)水波局域化和單向傳播，并在此基礎(chǔ)上，凝練出“負(fù)水深”和“水波極化激元”新概念，為變換流體力學(xué)提供了新的見(jiàn)解。

“該裝置可以等效為各向異性水深和負(fù)水深。”陳煥陽(yáng)解釋，該研究將電磁波中激發(fā)單向傳播的等離激元方法推廣到水波中，激發(fā)出單向傳播的水波。金屬之所以能在其表面激發(fā)出高度局域化的等離激元，是因?yàn)榻饘僭谔囟l段的介電常數(shù)為負(fù)數(shù)，但是自然界中沒(méi)有“負(fù)”水深的存在，而研究人員通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)由剛體構(gòu)成的一維凹槽陣列可以等效為負(fù)的水深，從而可以激發(fā)出單向傳播的水波。

這項(xiàng)研究成果表明，水波可被信息化，有可能實(shí)現(xiàn)水波單向傳輸和水體凈化等重要應(yīng)用，同時(shí)具有潛在的海洋運(yùn)輸價(jià)值。