跳动城乡网麦考瑞大学研究人员开发的新型软件包可以精确模拟波(声音、水或光)遇到复杂的粒子结构时的散射方式。
这将极大地提高快速设计超材料的能力——用于放大、阻挡或偏转波的激发人造材料。
该研究结果于 2024 年 6 月 19 日发表在《皇家学会学报 A》上，展示了 TMATSOLVER 的用途，这是一种基于多极子的工具，可以模拟各种形状和特性的波与粒子之间的相互作用。
TMATSOLVER 软件可以非常轻松地模拟多达数百个散射体的排列，即使它们具有复杂的形状。
麦考瑞大学数学与统计学系的主要作者斯图尔特霍金斯博士表示，该软件使用了转换矩阵(T 矩阵)——一个数字网格，可以完整描述某个物体如何散射波。
霍金斯博士说：“T 矩阵自 20 世纪 60 年代就开始使用，但我们在精确计算远大于波长且具有复杂形状的粒子的 T 矩阵方面取得了一大步。”
“使用 TMATSOLVER，我们能够模拟以前无法解决的粒子配置。”
霍金斯博士与来自阿德莱德大学、英国曼彻斯特大学和伦敦帝国理工学院以及德国奥格斯堡大学和波恩大学的其他数学家合作。
阿德莱德大学研究员、本文合著者 Luke Bennetts 博士表示：“参与这个项目并将 TMATSOLVER 软件融入我的超材料研究中真是太棒了。”
“这意味着我可以避免产生数值计算来测试超材料理论的瓶颈，并允许我轻松地将我的测试用例推广到更复杂的几何形状。”
超材料中的应用
研究人员通过超材料设计中的四个示例问题展示了该软件的功能。
这些问题包括各向异性粒子阵列、高对比度方形粒子和减慢波速度的可调 [JvE1] 周期结构。
超材料具有自然界中不存在的独特性质，通过控制其纳米级结构的尺寸、形状和排列，可以与电磁波、声波或其他波相互作用。
例子包括以分子尺度观察物体的超级透镜，可以折射所有可见光的耳机 斗篷，以及用于能量收集或降低噪音的完美波吸收。
TMATSOLVER 工具的研究和开发成果将广泛应用于加速日益增长的全球超材料市场的研究和开发，这些超材料可用于精确的波控制。
霍金斯博士说：“我们已经证明，我们的软件可以使用最适合粒子类型的技术，计算各种粒子的 T 矩阵。”
“这将实现新超材料设计的快速原型设计和验证。”
麦考瑞大学科学与工程学院执行院长露西·马歇尔教授表示，该软件可以加速新的突破。
马歇尔教授说： “这项研究代表了我们设计和模拟复杂超材料能力的一大飞跃，也是创新计算方法如何推动材料科学和工程进步的一个典型例子。”
