声超常材料及其新奇特性研究

声超常材料具有许多常规材料所不具备的新奇性质，近来吸引了学术界极大的.研究兴趣。目前基于局部共振机制的声超常材料一般来说结构比较复杂，难于制备；另一方.面，目前对于声超常材料奇异性质的研究大多仅集中在材料参数为负值的区间，事实上，声.超常材料中由于有效质量密度、体模量和切模量均可被任意设计而带来的反常材料响应能提供更丰富的物理内涵以及更大尺度的物性剪裁空间。本项目中，我们将通过对软板反对称表面波的研究来寻找利用简单结构实现超常材料的新机制，并提出合理制备方案；此外，我们将系统研究当超常材料参数趋向于所有可能反常值时的奇异行为，如质量密度、体模量以及切模量趋向零值时的奇异性质，纵波速度等于横波速度时的奇异性质等，将发现的新性质同应用结合，设计具有新奇性质的波功能器件。本项目有助于发现新现象，提出新概念，预言新应用，具有科学意义和应用价值。

本项目中我们致力于固体板超常材料的实现，通过设计结构化的软板复合介质来实现负质量密度与模量。特别地，我们研究发现表面饰有周期性重栅结构的固体软板与嵌有周期性Helmholtz共振腔的固体软板分别具有负质量密度与负体模量，通过在固体软板中复合这两种结构并调节其共振频率达到一致，我们得到了同时具有负质量密度与体膜量的固体板超常材料。由于这些负材料参数部分地起源于板中耦合声表面波的集体激发，相对于现有的基于局域共振的超常材料而言，我们得到的固体板超常材料具有一定的宽频特性。此外，相对于大多数现有的局域共振超常材料而言，这种板状材料由于结构简单而更加容易制备；本项目中我们还针对固体板超常材料近场中的波与物质相互作用特性开展了研究。特别地，我们研究了位于饰有周期性重栅结构固体软板附近的柱状铜质微粒所受声辐射力的性质，研究表明该微粒可以受到来自板的负声力作用从而被拖拽靠近板子。相对于现有工作中通常使用的硬板系统，这种软板系统的负声学力具有更大的带宽。通过进一步的场分析我们发现这种奇异的负声学力起源于板中反对称Stoneley波的共振性集体激发。这种负声学力的发现预示着其在声波操控物质领域的广泛应用前景；本项目中，我们还研究了超常材料表面波与界面态的奇异行为。特别地，我们研究了弹性波超常材料声表面波的色散性质，发现通过对超常材料参数的人工设计，固体-真空界面的Rayleigh型表面波以及固体-流体界面的Stoneley型表面波均可被设计成具有与电磁表面等离子体激元完全相似的色散关系。此外，我们还对声学晶体材料界面态的产生机制与性质进行了深入探讨。研究表明，这种界面态主要是由于声波在两个晶体材料界面来回反射，通过干涉形成驻波而引起的。我们相信，项目中取得的这些研究结果将为声超常材料特性的探索、剪裁、设计及应用提供一些有益的指导。