海洋是人類活動重要場所，如果能靈活控制水波傳播方向，減少海浪對相關(guān)設(shè)備的侵襲，將極大便利人類活動，對海洋環(huán)境保護也有積極意義。近日，廈門大學(xué)陳煥陽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，并通過設(shè)計的超材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)水波的單向傳播。近日，國際期刊《物理評論快報》對相關(guān)成果進行了重點報道。

研究人員發(fā)現(xiàn)，橫磁場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，通過對比發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)張量和水深張量相互對應(yīng)，因此可以通過控制不同地方的水深來實現(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)計了一種一維凹槽陣列，首次實現(xiàn)水波局域化和單向傳播，并在此基礎(chǔ)上，凝練出“負水深”和“水波極化激元”新概念，為變換流體力學(xué)提供了新的見解。

“該裝置可以等效為各向異性水深和負水深。”陳煥陽解釋，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，是因為金屬在特定頻段的介電常數(shù)為負數(shù)，但是自然界中沒有“負”水深的存在，而研究人員通過研究發(fā)現(xiàn)由剛體構(gòu)成的一維凹槽陣列可以等效為負的水深，從而可以激發(fā)出單向傳播的水波。

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