激光器是一种完美的光源（只要提供能量，它就能产生一种特定、清晰的颜色）。然而，也有可能创造出它的对立面：一个完全吸收某种颜色的光并几乎完全耗散能量的物体。维也纳大学研究人员已经开发出一种利用这种效应的方法，即使是在光波向各个方向随机散射非常复杂的系统中。该方法是在维也纳计算机模拟的帮助下开发，并与尼斯大学合作进行了实验验证。这为所有与波浪现象有关的技术学科开辟了新可能性，这项新方法现已发表在《自然》期刊上。
吸收波的随机结构
维也纳理工大学理论物理研究所的斯特凡·罗特教授说：我们每天都在处理以一种复杂方式散射的波——试想一下，一个手机信号在到达你的手机之前会被反射好几次。所谓的随机激光器就是利用这种多重散射。这种奇特的激光器内部结构复杂、随机，在提供能量时，会发出一种非常独特的光模式。通过数学计算和计算机模拟，Rotter团队可以证明这个过程也可以在时间上逆转。不像光源依靠随机内部结构发出特定的波，也可以制造出完美的吸收器。
随机反激光实验装置：波导包含一种无序介质，该介质由一组随机放置的特氟隆圆柱体组成，接收到的微波信号以一种复杂的方式散射。图片：TU Wien
根据其内部结构的特点，完全地消散一种特定的波，而不让它的任何部分逃逸。这可以想象成制作一部普通激光发射激光的电影，然后反向播放。Stefan Rotter说：由于这种时间反转类比于激光，这种类型的吸收器被称为反激光吸收器。到目前为止，这种反激光器只在一维结构中被实现，这种结构被来自相反方向的激光击中。该研究能够证明，即使是任意复杂的二维或三维结构也能完美地吸收一种特制的波。这样，这个概念就可以被广泛应用。
完美的吸波器
研究项目的主要成果是：对于每一个吸收足够强波的物体，都能发现一定的波形，并且被这个物体完美的吸收。Stefan Rotter说：然而，如果认为吸收器必须足够坚固，这样它就能轻易地吞下所有的入射波，那就错了。相反，有一个复杂的散射过程，在这个过程中，入射波分裂成许多部分波，然后这些部分波相互重叠，相互干扰，导致最终没有任何部分波可以发出。反激光中的弱吸收器就足够了——例如，接收电磁波能量的简单天线。为了测试计算，研究小组与尼斯大学合作。《自然》期刊第一作者凯文·皮切勒(Kevin Pichler)目前正在斯蒂芬·罗特(Stefan Rotter)的团队中撰写论文。
与尼斯大学(University of Nice)乌尔里希·库尔(Ulrich Kuhl)教授一起花了几周时间，利用微波实验将该理论付诸实践。实际上，理论家做这个实验有点不寻常，然而能够在这个项目的各个方面工作，从理论概念到实验室的实施，这是特别令人兴奋的。实验室建造的“随机反激光”由一个带有中央吸收天线的微波室组成，周围环绕着随机排列的聚四氟乙烯圆柱体。这些圆柱体就像水坑里的石头，水波在水坑里会发生偏转和反射，这些圆柱体会散射微波，形成复杂的波型。
Kevin Pichler解释说：首先从外部通过系统发送微波，然后测量它们到底是如何返回的。了解到这一点，随机装置的内部结构就可以得到充分的表征。这样就可以计算出在适当的吸收强度下被中心天线完全吸收的波。事实上，当在实验中实施这个方案时，发现大约99.8%的入射信号被吸收。反激光技术还处于早期阶段，但很容易想到潜在的应用。Stefan Rotter说：想象一下，比如说，你可以用正确的方式调整手机信号，让它完全被手机的天线吸收。在医学上也经常处理把波能量传输到一个非常特定的点的任务，比如冲击波粉碎肾结石。
博科园-科学科普｜研究/来自: 维也纳科技大学
参考期刊文献:《Nature》
DOI: 10.1038/s41586-019-0971-3
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