撰稿|由课题组供稿
香港浸会大学马冠聪课题组与巴黎郎之万研究所Mathias Fink教授、南京大学卢明辉教授合作以“Negative Transient Flux in the Near Field of a Subwavelength Source”为题在Physical Review Applied发表突破性研究成果：利用声压-速度探测器，在深亚波长点源发出的出射声波的近场中，实验观测到其能量通量在时域中可以为负。这意味着波在传播过程中的能量“回流”。李肖博士为论文第一作者，李鹏奇参与了课题的研究。
波源对波的辐射是一个有重大现实意义的基础物理问题，它关系到天线设计、雷达等诸多现代应用。因此，一般认为，波的辐射是一个研究得十分透彻的问题。但是在这项工作中，研究人员通过理论和声波实验，首次观测到由点源（或尺寸为亚波长的波源）辐射的波在时域上可以出现负的能流(negative transient flux)，即在某时间段内能量出现“回流”。通过理论分析，研究人员发现该现象可存在于二维和三维波辐射问题，且可在均匀介质中出现，因此具有极强的普适性。但令人惊讶的是，至今似乎没有任何文献记载该现象的实验观测。研究人员认为该现象长期以来被忽视的一个重要原因是傅立叶分析在波传播、辐射等现象中的广泛利用。傅立叶频域中分析虽然简单明了，但在一定程度上却“隐藏”了波在时域上的某些传播特征。而在这项工作中，研究人员正是依靠对声波辐射和传播的全时域分析，成功观测到反向能流，并确定负能流的出现的物理机制扎根于波场的几何形状。
图1 点源近场区域的负能流。(a)点源(小黑点)发射波场的示意图。在近场中，能流在时域中可能变为负值，如指向点源的红色箭头所示。在远场中，能流的方向总是远离波源(蓝色箭头)。(b)点源发射的短脉冲信号。频率覆盖范围为100-600Hz。(c)距离点源不同位置(r=20 mm和r=500 mm)的能流。负能流区域被红色填充。
对能流的测量是该研究的关键点。得益于由南京粒子声学提供的可同时测量声压(P)和速度(v)的新型PU探头，研究人员可以通过简单的测量直接拿到得到时域能流数据（声压P(t)和速度v(t)相乘）。PU探头的数据也揭示了负能流是由声压P和速度v之间的相位差所导致的：点源辐射的声场的波前是弯曲的，因此局域阻抗Z=P/v是一个复数。这意味P和v之间的相位差归根结底源于波前的弯曲。而在远离波源的位置，波前局域上变得更接近于平面波，阻抗的虚部几乎消失，即P和v之间的相位几乎相同。所以负能流不再出现。
图2 在声学实验中测量负能流。(a)实验装置。一块方形木板和地面形成一个高度约为5.6厘米的平面波导。波导四周的海绵楔被用于吸收声波以减少反射。扬声器位于波导的中心位置，而P探头在选定的位置(r)处测量该位置的声压(P)和速度(v)。(b)在r=20 mm和r=500 mm处测量得到的时域能量通量。负能流仅在近场位置r=20 mm处被观测到。
在波场远离近场区域前所观测到的负能量通量存在于能量在辐射过程中的一段时间内。这一效应可以是限制点源辐射效率的原因。我们知道，通过Purcell效应可以利用谐振腔来增加局部的态密度，进而提高辐射效率。而本研究的结果表明，对信号在时域中的操控亦有机会成为提高辐射效率的有效方案。该研究结果进一步提出新的问题，即辐射信号本身是否存在某一最佳的时域形状，使得负能流最小化，从而使能量在近场区域不停留的情况下迅速离开。此外，从声阻抗的角度看，能否通过设计点源的几何形状、点源周围的介质阻抗、或点源的衰势波分量来控制能流的时域流动也可能是提升辐射效率的可行手段。
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.16.L011004
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