聲子是晶格中原子振動的量子化模式，在熱傳遞和各種波傳播現(xiàn)象中起著至關(guān)重要的作用。定制聲子色散，即聲子頻率與其波矢量之間的關(guān)系，可以解鎖納米尺度聲波操縱的新水平。最近發(fā)表的論文探討了一種突破性的方法，基于遺傳設(shè)計納米聲子超表面實(shí)現(xiàn)這種定制聲子色散。

傳統(tǒng)聲子器件依賴于具有簡單幾何形狀的周期性結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)是根據(jù)既定的原則設(shè)計的。然而，這種方法往往無法達(dá)到期望的功能性和性能水平。這就是遺傳算法發(fā)揮作用的地方，受自然選擇過程的啟發(fā)，遺傳算法是一種優(yōu)化技術(shù)，模仿種群的進(jìn)化。在聲子工程的背景下，這些算法成為了一種強(qiáng)大的設(shè)計工具。

遺傳設(shè)計納米聲子超表面的概念圍繞著“逆設(shè)計”方法。這種方法不是從一個特定的幾何形狀開始預(yù)測它的聲子色散，而是反向工作將所需的聲子色散特性定義為目標(biāo)。然后，遺傳算法迭代地生成候選超表面設(shè)計的種群，每個設(shè)計都具有獨(dú)特的幾何配置。然后通過模擬這些設(shè)計，以評估其聲子色散與目標(biāo)的匹配程度。

關(guān)鍵在于遺傳算法能夠“繁殖”和改進(jìn)這些設(shè)計。類似于自然界中有利特征的傳遞，該算法將來自高性能設(shè)計的有希望的特征組合起來，以生成新的迭代。這個過程一直持續(xù)，直到設(shè)計出一種與目標(biāo)聲子色散非常相似的設(shè)計。

該方法的強(qiáng)大之處在于它能夠克服傳統(tǒng)設(shè)計方法的局限性。通過采用遺傳算法，研究人員可以探索一個更廣闊的設(shè)計空間，包括復(fù)雜和非傳統(tǒng)的幾何形狀，這些形狀可能以前從未考慮過。這為實(shí)現(xiàn)以前無法實(shí)現(xiàn)的功能打開了大門。(www.ws46.coM)

為了驗(yàn)證新方法的有效性，研究人員成功地設(shè)計了一種具有高度各向異性聲子色散的二維超表面。這意味著聲波在超表面內(nèi)的傳播高度依賴于方向。值得注意的是，該設(shè)計在某個方向上實(shí)現(xiàn)了部分超聲帶隙，有效地靜音了特定頻率范圍內(nèi)的聲波，這為聲學(xué)隱形或高效波導(dǎo)等新應(yīng)用鋪平了道路。

遺傳設(shè)計納米聲子超表面的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實(shí)現(xiàn)特定功能。這種方法代表了聲子工程范式的轉(zhuǎn)變。它允許研究人員從基于直覺的設(shè)計過程轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動和自動化的設(shè)計過程。這為快速開發(fā)具有定制特性的新型和創(chuàng)新的聲子器件鋪平了道路。

這項(xiàng)技術(shù)的潛在應(yīng)用非常廣泛，想象一下可以選擇性過濾聲波的聲學(xué)超材料，這將導(dǎo)致超靜音環(huán)境或高效隔音。或者考慮可以操縱納米尺度熱傳輸?shù)穆曌悠骷乖O(shè)計下一代微納米電子學(xué)熱管理系統(tǒng)成為可能。然而，挑戰(zhàn)仍然存在。模擬復(fù)雜超表面設(shè)計的計算成本可能很高。此外，將這些設(shè)計轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)世界的設(shè)備需要納米制造技術(shù)的進(jìn)步。

總之，基于遺傳設(shè)計納米聲子超表面代表了一種定制聲子色散的革命性方法。通過利用遺傳算法的力量，研究人員可以實(shí)現(xiàn)以前無法想象的納米尺度聲波操縱控制。這項(xiàng)技術(shù)在噪聲消除、熱管理等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。