image: 水波从左侧以平面波入射，经过(a) 超散射器发生了超散射，经过(b)同尺寸圆柱体时散射较小。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
近日，《国家科学评论》杂志在线发表了浙江大学王华萍课题组的研究成果，博士生秦子健为文章第一作者。该研究团队受电磁超散射的启发，利用浅水条件下的水波方程和电磁波方程的相似性，设计并制造了简并共振的水波超散射装置，并通过实验得以实现。
水波广泛存在于自然界中，是非常直观的一种波动现象。了解和控制水波的传播对水动力学和海洋工程具有重要意义。近年来，超材料迅速发展，成为人们控制电磁波、弹性波、声波和水波的有利工具。利用超材料增强水波散射在海洋能源采集和海岸防护等方面有着广泛的应用前景。借鉴电磁超散射器设计原理，水波超散射器理论上可以利用变换光学原理来实现，但由于各向异性材料参数苛刻以及在水波条件下的极端要求，其实际实现仍然是一个巨大的挑战。
研究人员基于简并共振超散射的原理，理论设计并在实验水槽中实验验证了水波的超散射器结构。亚波长的超散射器是由多个不同高度的同心圆柱体构成的，并通过模拟退火算法，优化了超散射器的几何形状和工作频率。通过设计不同角动量通道的共振，总的散射截面可以突破单通道散射的极限数倍，也远远超过相同大小的普通散射器的散射强度。对于普通散射器，共振被分散开，总的散射截面就受到单通道限制。
在实验中，研究小组测量了水波超散射器的近场模式，与理论预测和数值模拟的结果吻合，研究小组还进一步的对不同边界条件，水深，频率下的超散射效应进行了测量。
这项研究提供了一种简单且低成本的方法来实现增强水波的散射，可以实现增强亚波长小物体的波散射，这对于海洋工程，近海海岸防护等方面具有重要意义，未来可能在海洋能量收集装置，海岸防护设施上得以应用。
研究详情请见原文：
Superscattering of water waves
https://doi.org/10.1093/nsr/nwac255
Journal
National Science Review