科學家突破性發現！實現聲音單方向傳播，通訊技術迎來革命？

在我們日常生活中，波通常會向所有方向傳播，而不是只朝單一方向傳播，就像民主社會一樣，每個人的聲音都能被聽到。無論是談話的聲音、燈泡的光芒，還是海洋的波動，波往往會向兩個方向平均傳播。你說話時，聲音會傳遞到對面的朋友，同時他們的聲音也會傳回給你。

但如果我們需要波只朝一個方向移動，不受干擾，就像汽車在單行道上行駛一樣呢？

這就是蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的一組研究人員剛剛實現的突破。經過數年的努力，他們已經成功地引導音波只朝前面的方向傳播，而永遠不會向後傳播的方法。這一壯舉可能會對未來的技術產生巨大影響，從通訊系統到雷達，而且他們在實現這一目標的同時，音波的強調也沒有被削弱。

▲ 自激振盪（藍紅色）使音波（綠色、橙色、紫色）只能單向穿過環形器。

控制波的傳播，例如讓它們只朝一個方向流動這一想法多年前就吸引了科學家的興趣。因為這可以幫助解決現實世界中的問題。在雷達或通訊等應用中，反射波會造成干擾，使訊號失真或降低效率。

十年前，研究人員曾成功阻止音波反彈。但有一個問題：向前傳播的波會因此變弱。

於是，一群研究人員正面解決了這個問題。這些研究人員來自蘇黎世聯邦理工學院，由氧化、聲學與流體物理學教授尼古拉斯‧諾雷（Nicolas Noiray）領導。在洛桑聯邦理工學院（EPFL）的羅曼‧佛萊禮（Romain Fleury）的幫助下，該團隊最終找到了解決方案。

他們的突破取決於自激振盪——一種不需要外力驅動的系統內部的周期性運動。儘管這種振動通常是一種麻煩（甚至在導致飛機引擎振動時會非常危險），但諾雷認為我們可以將利用這種方法來創造一條音波的「單行道」。

諾雷的解決方案既巧妙又簡單。想像一個圓盤形的空腔體，空氣以適當的強度吹過空腔，產生哨音。但這不是普通的哨音。與在空間內來回反彈的駐波不同，這種哨音會產生旋轉波。

蘇黎世聯邦理工學院的團隊花了數年時間研究這種旋轉波背後的流體力學原理。然後，他們設置了三條通路，或者稱作波導，呈三角形排列。當音波進入第一條波導時，它會順利通過循環器進入第二條波導。但如果音波試圖從第二條波導進入，則無法返回，而是被迫進入第三條獨立的通路，確保聲音只能單向移動。

▲ 驗裝置（左）和波傳播（右）示意圖。波導 1 可以被波導 3 完美接收，但不能被波導 2 接收，而波導 3 可以被波導 2 完美接收，但不能被波導 1 接收。正如預期，波只能單向傳播。圖片來源：Nicolas Noiray / 蘇黎世聯邦理工學院

該團隊測試了他們設計的頻率約為 800 赫茲的音波——大致相當於女高音的高音。它成功了。音波不僅向前傳播而沒有向後反射，而且由於環形器的自激振盪提供的能量提升，它甚至比以前更強。

諾雷說：「我們認為，這種具有損耗補償的非互易波傳播概念是一個重要的結果，也可以應用到其他系統中。」

其可能性的應用範圍遠遠超出了聲音。這種對波動運動的單向控制對依賴電磁波的技術來說可能會改變遊戲規則，例如雷達系統，在這些系統中，精度和方向性至關重要。未來的通訊系統也可能從這種無干擾路由訊號的能力中受益，讓訊號沿著拓撲電路高效傳輸。

在一個常常面臨硬性限制的領域，諾雷的團隊找到了新的突破口——從字面上來說，向前邁進。

這項研究發表在《自然通訊》期刊上。