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在波的传输与能量分配中，非互易传输意义重大。研究人员针对构建打破时间反演对称性的非对称系统面临的难题，开展弹性波环行器研究。结果实现了弹性波单向传输，为能量路由等提供平台，有重要意义。
在当今科技领域，波的传输与能量分配是极为关键的研究方向。非互易传输（nonreciprocal transmission）能够实现能量的高效定向传输，在众多领域都有着广泛的应用前景。例如在通信领域，它可以提升信号传输的稳定性与效率；在能源领域，有助于优化能量的收集与分配。然而，构建打破时间反演对称性（time - reversal symmetry）的非对称系统困难重重。传统实现非互易性的方法，如利用非线性介质（nonlinear media）或有源元件（active elements），虽然能达成目的，但存在信号失真、幅度衰减以及系统复杂等问题。在弹性波领域，其丰富的极化和色散特性，加上不同极化模式间的耦合，使得实现非对称行为的难度更大。此前的研究成果在拓展到像三端口环行器这样的高维非对称系统时，遭遇诸多挑战，因此，探寻新的策略迫在眉睫。
为解决这些问题，西北工业大学、西安交通大学等国内研究机构的研究人员开展了关于弹性波环行器的研究。研究发现，通过基于波矢调制（wave - vector modulation）机制，能实现弹性波在不打破互易性的情况下单向传输。这一成果意义非凡，为非对称波传输提供了可行平台，可应用于能量路由、隔离和收集等领域，还能拓展到电磁和声波等其他领域，为相关技术发展开辟了新道路。该研究成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员开展研究时用到的主要关键技术方法有：理论计算，通过计算弯曲波方程并结合连续条件，得出单元细胞的解析色散关系；数值模拟，运用有限元求解器 COMSOL Multiphysics，基于 Bloch 条件对单元细胞进行计算并扫描波矢，同时使用完美匹配层（PML）消除边界反射影响；实验验证，采用线切割加工技术在钢板上制作实验环行器样本，利用多普勒激光振动测量系统观察弹性波传播。
下面来看具体的研究结果：
- 线性无源环行器（Linear passive circulator）：研究人员借鉴声学塞曼环行器（acoustic Zeeman circulator）概念，创新地聚焦于波矢分裂而非角频率。设计了由三个相同弯曲波导组成的结构，呈 120° 手性对称排列。通过精心调控波导介质，使圆波矢分量kθ沿顺时针方向变化。从端口 I 入射的波，在端口 II 处kθ增大，利于波传播；而沿逆时针方向传播时，在到达端口 III 前kθ减小至零，波被捕获，从而实现单向能量流动，得到非对称散射矩阵。
- 通过波矢调制实现弹性波环行器（Realization of elastic - wave circulator via wave - vector modulation）：在同一波导中实现相反方向的完美模式转换和抑制，是设计线性无源弹性环行器的关键。研究人员利用改变波导边缘单元细胞的方法，调整波矢。通过理论计算和数值模拟，找到了实现模式转换和波捕获的条件。实验结果验证了该设计能使弹性波在波导中单向传播，构建的三端口环行器可有效引导波传播。
- 单向解复用路由（Unidirectional demultiplexing routing）：基于波矢调制的环行器，其完美模式转换和波捕获特性对弯曲波单向传输至关重要。研究人员设计了简化的波导结构，实现了与复杂结构类似的非对称整流功能。利用简化波导构建单环行器和双环行器，实验和模拟结果均表明其能实现弯曲波的单向路由，且双环行器可用于单向解复用路由。
- 讨论（Discussion）：基于波矢调整策略，可进一步实现定制化的环行器框架，如设计不同对称结构的四端口环行器，实现不同的波传播模式。还能设计紧凑的隔离器（isolator），用于波的隔离和捕获，引导波沿预定路径传播。研究人员在系统中引入多种缺陷后发现，弹性环行器仍能稳定地使弯曲波沿顺时针方向传播，展现出卓越的定制性、多功能性和抗干扰能力，在能量收集、信息处理、隔振等实际场景中具有巨大的应用潜力。
综上所述，该研究成功制备并实验验证了一种宽带紧凑的弹性波环行器平台。通过波矢调制，实现了完美的模式转换和能量捕获，无需激活介质或非线性介质打破互易性。基于对称规则开发的四端口版本，具备不同功能模式。作为环行器衍生的紧凑隔离器，也展现出良好性能。该环行器及其衍生器件在多方面表现出色，为片上集成、信号路由与滤波、机械和数字波电路中的信号处理等提供了可能，还可拓展到电磁和声波领域，在振动与噪声控制、粒子操纵等方面有着广阔的应用前景 。
