浦项科技大学 (POSTECH) 和全北国立大学的联合团队证明，机械波可以完全被困在单个固体谐振器内。许多研究人员认为，这在紧凑系统中“理论上是不可能的”。这项研究于4月3日发表在《物理评论快报》上，重点研究连续介质中的束缚态 (BIC)，在这种状态下，波会被困住，不会损失能量，即使在连续介质中，波也有逃逸的路径。
共振是许多设备的核心，例如智能手机、超声波扫描仪和收音机。谐振器会增强特定频率的波，但它们通常会随着时间的推移泄漏能量，因此需要持续的输入。近一个世纪前，约翰·冯·诺依曼和尤金·维格纳提出，在特殊条件下，波可以被永久捕获而不会泄漏。这些状态被称为BIC，长期以来被认为在单粒子装置中不可能实现。
研究人员通过理论和实验证明，真正的偏振保护BIC可以存在于紧凑型固体谐振器内。他们利用圆柱形颗粒晶体（即细小的石英棒）构建了一个可调机械系统。关键控制点在于圆柱体接触的接触边界。通过调整这些接触，他们可以在BIC和准BIC之间以可控的方式进行原位切换。
在特定的排列方式下，他们观察到一种波模完全停留在单个圆柱体内，没有可测量的泄漏到附近部件。他们使用激光多普勒测振仪（用于测量微小的表面振动）证实了这一点。该单谐振器支持品质因数超过1000的BIC。谐振器的品质因数（Q）描述了其振荡的阻尼。Q值高表示阻尼低，能量损失率低。
由于一个谐振器可以承载BIC，因此将多个谐振器连接起来可以使这些捕获模式结合在一起，并在周期性结构中形成束缚能带。该团队构建了一个具有破缺谐振器对称性的有限链，并观察到了一个准束缚平带。在平带中，波的群速度在特定频率下变为零，因此能量保持不变而不是扩散。链中的所有圆柱体都表现出高Q值、无色散的共振。
“这就像把一块石头扔进平静的池塘，涟漪一动不动，只在原地震动，”主要作者Yeongtae Jang博士说。“即使系统允许波动，能量也不会扩散——它被完全限制住了。”
该团队将这种链级效应称为“连续体中的束缚带”（BBIC）。他们指出，这种效应可能应用于能量收集、超灵敏传感器和通信等领域，低损耗和强约束有助于提高性能。这项工作目前仍处于基础研究阶段。
“我们打破了长期存在的理论界限，”领导这项研究的Junsuk Rho教授说道。“虽然这项研究仍处于基础研究阶段，但其影响深远——从低损耗能源设备到下一代传感和信号技术。”
简而言之，该团队构建了一组石英圆柱体，其接触点就像精密的旋钮一样。通过正确的设置，波可以在一个圆柱体内部振动而不会泄漏。将多个圆柱体串联起来，被捕获的振动就可以存在于整个线路上而不会扩散。这为在紧凑的固体系统中研究和使用强波约束提供了一条清晰的途径。