近日，厦门大学陈焕阳团队在水波超构材料领域取得重要突破。研究团队利用周期领结阵列在水波中成功等效出“负水深”，为水波隔波提供了新的方法和思路。相关成果以“Effective negative depth in water waves”为题发表于期刊《Science Advances》上。

海浪中虽蕴含可观的能量资源，但也对海上建筑和人类海上活动构成严重危害。传统的水波隔波方法，如防洪堤、盐沼等，存在占地面积大、成本高、隔波效果有限等问题，难以满足现代海洋工程对高效隔波的需求。近年来，光子晶体因其带隙特性在水波隔波中得到应用，能够有效隔离特定频段的水波。然而，这类结构通常需要较多的周期层数才能形成明显带隙，导致整体装置占地面积大，难以兼顾宽频段隔波和结构紧凑性的双重需求。为此，研究团队另辟蹊径，通过精心设计的周期领结阵列，成功等效出负的水深，构建纯虚数传播波数区域，从而实现对水波的强烈反射与有效隔离。与之前仅在近场有效的表面负水深结构不同，此次研究设计的周期领结阵列通过引入局域共振机制，使等效负水深可以在近场与远场同时实现，显著提升了结构的功能性与适用范围。

研究团队通过相干势近似法 (Coherent Potential Approximation)对周期领结阵列的等效参数进行了解析求解，如图1所示。可以看到在特定频段内(蓝色阴影区域)，周期领结阵列的等效水深 h_e 变成了负数 (图1A)，其物理本质是领结结构在该频段会激发强烈的偶极子共振，使得水波的能量高度局域化。此时，周期领结阵列的等效传播波数 k_e 转化为纯虚数 (图1C)，对应的反射率显著上升，透射率趋近于0 (图1D)。仿真结果进一步验证了这一机制：当周期领结阵列的等效水深 h_e>0 时，大部分水波成功穿透阵列 (图1E)。而在 h_e<0 时，水波被有效阻挡，几乎无法透过 (图1F)。

图1. 周期领结阵列的等效参数和仿真结果。

为验证周期领结阵列的工程适用性，研究团队在大型水槽中开展了实验（图2）。实验结果表明，波长高达1 m 的入射水波在经过周期领结阵列后显著减弱（对应动态演示见视频链接https://mp.weixin.qq.com/s/3knxie_Oi8ujuwuIPs47gg），阵列下方的小船基本保持静止，振幅几乎为零，展现出良好的隔波性能。此外，该周期领结阵列在较宽频率范围内（0.7 Hz 至 1.4 Hz，相对带宽达 66%）均表现出不错的隔波效果，兼顾了宽频段响应与结构紧凑性的双重优势，具有一定的的工程应用前景。

图2. 大尺寸周期领结阵列实验结果。

表格1. 电磁波，声波和水波的对应关系。

该研究不仅在实验中实现了近场与远场区域的等效“负水深”，为水波隔波提供了一种新的方法，也填补了水波超构材料领域中负水深结构的空缺 (表格1)，为进一步探索水波负折射等现象奠定了基础。

该论文第一完成单位为厦门大学物理系，第一作者为2022级博士研究生韩林康，通讯作者为厦门大学陈焕阳教授，该研究得到了国家自然科学基金青年学生基础研究项目（博士研究生），国家自然科学基金面上项目和国家重点研发计划的支持。

文章链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv9120