近日，南京大学物理学院赖耘教授团队和香港大学Nicholas X. Fang教授团队进行合作，提出了一种原创的隐身方法，利用幻像声学概念解决了传统隐形斗篷带宽狭窄的技术瓶颈，在超宽频范围内抑制了物体的散射，并实现了“空间消失”和“时间偏移”的隐形时空幻像。这项研究在理论上具有重大意义，为宽带隐形和声场调控等实际应用开辟了新的设计方向。尤为重要的是，这种方法所带来的声波无损传播和散射消除效应，并不局限于特定的频率范围，而是适用于超宽频带的声波。这一特性使得该技术在声波通信、声学隐身、噪声控制等多个领域都具有广泛的应用前景。

自远古以来，隐形斗篷一直是人类的梦想。随着人工超构材料和变换光学理论的发展，隐形斗篷已逐渐成为现实。在光学、声学和热学等领域，隐形或散射消除技术得到了广泛应用。然而，尽管取得了一系列突破性的成果，目前的隐形技术仍然受限于较窄的工作带宽，严重制约了该技术在实际中的应用场景和价值。隐形技术的带宽瓶颈来源于多个方面。首先，隐形器件的材料参数十分奇特，不存在于自然材料中，只能通过超构材料实现。而超构材料的有效参数通常具有强烈的色散，导致其工作带宽很窄。其次，从物理上看，隐形斗篷可以看成一个曲面通道。当入射波沿着这个曲面通道传播时，需要和旁边空间中走直线的入射波传播时间完全一致，才能实现完美隐身。但在真空中，这意味着超光速，违反了相对论和因果律的基本假设。因此，真空中的完美隐形斗篷严格意义上只能在窄频段内实现。突破这一瓶颈的常见方法是取消传统隐身中对透射波阵面一致的要求，纯粹基于几何光学来设计，但这显然不适用于声学隐身等低频散射的情况。

在这项研究中，研究人员创新性地采用了亚波长尺度的声学隧道作为超构材料的基本单元结构，并隧道内部设计了一系列倒刺结构，如图1所示。这些具有倒刺结构的特殊声学隧道的核心功能在于其对声速的任意操控能力，且能保持高效的传输效率。由于结构的非共振特性，其工作机制适用于超宽频带。幻像器件由一系列声隧道组成，这些隧道巧妙地环绕着预设的障碍物。为了实现超宽频带范围内的隐形时空幻像，两个核心条件需要满足：第一，器件的入射面和出射面的几何形态保持一致；第二，所有声隧道具有完全相同的声程。

图1. 可调声速隧道的设计及其相位调控机制。

研究团队通过仿真模拟和实验测量验证了超宽带散射消除的功能，如图2所示。结果表明，在裸露障碍物的情况下，声波散射非常明显。然而，当设计的幻像声学隐身器件包裹障碍物后，情况发生了根本性的改变。入射声波能够完美地绕过障碍物，并在透射区域重现入射波前，仿佛障碍物及其所在的空间完全消失。此外，仿真和实验还证明了该器件在宽频范围内的有效性，从1kHz到16kHz，该器件都能够实现完美散射消除的效果。这一发现充分展示了该器件在宽频声波控制方面的巨大潜力和应用价值。

图2. 超宽带声散射消除的仿真计算与实验测量。

进一步地，研究团队通过脉冲仿真模拟，展示了空间消失和时间偏移的现象，如图3所示。在声波脉冲激发下，器件能够有效地消除由障碍物产生的散射。此外，从透射波前可以看出，激发源的位置似乎往前偏移了一些距离，这个距离对应了幻像声学隐身器件所占据的空间，由此，称之为空间消失的现象。正是由于消失的空间和隧道中相位延迟的存在，透射波前也展现出时间偏移的现象。

图3. 空间消失和时间偏移的隐形时空幻像。

这一突破性成果充分展示了基于时空幻像设计可以让物体所在的空间整体“消失”可以实现几乎完美的超宽频隐身。不仅成功地突破了现有隐形技术的技术瓶颈，还为实现更宽频率范围内的声波操控提供了一个全新的平台，具有广阔的应用前景。

论文以“Ultra-broadband illusion acoustics for space and time camouflages”为题，发表于国际期刊Nature Communications（《自然通讯》）。南京大学物理学院刘晨凯副研究员和美国威斯康辛大学麦迪逊分校Chu Ma助理教授为论文共同第一作者，南京大学物理学院赖耘教授和香港大学Nicholas X. Fang教授为论文共同通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划和国家科学基金的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49856-z