物理学家成功研发出“电磁涡旋炮”(electromagnetic vortex cannon),结合了涡旋环(vortex rings)与电磁学(electromagnetic)两大迷人现象,实现了28年前的理论预测,为未来通讯、国防及太空探索等领域带来革命性的应用前景。这项突破不仅印证了长期以来的理论,还有望成为下一代科技的关键基础,尤其在资料传输、编码及目标探测技术上,提供全新解决方案。
科学媒体《IFLScience》报道,涡旋环是一种常见的流体动力学现象,当高速射流穿过静止流体时,摩擦力会形成环状旋转结构。这类现象广泛存在于自然界,某些海洋生物甚至利用涡旋环来捕捉猎物,例如水母等小型生物可能因接近这类涡旋而面临生命危险。研究人员幽默地表示:“涡旋环的景象壮观,但如果你是一只水母,可不要靠得太近。”
早在1996年,物理学家R·W·赫尔沃斯(R. W. Hellwarth)和P·努奇(P. Nouchi)便理论上提出了“飞行甜甜圈”(flying doughnuts)的概念,预测可在自由空间中产生并传播电磁涡旋。然而,这一现象直到近日才由国际研究团队成功实验观测并证实。
这个研究团队研发了一种装置,能够产生微波环形脉冲(microwave toroidal pulses),类似于电磁版的“空气涡旋炮”。他们使用一个超宽频的特殊天线,成功制造出旋转的电磁波。当天线发射时,会产生瞬间压力差,形成稳定的电磁涡旋环。这些涡旋环不仅在长距离传输时能够保持形状和能量,还具备像斯格明子(skyrmions)这样的特殊结构,能够自动修复自身的损坏,确保其稳定性和持续性。
研究人员透过实验,精确绘制出这些涡旋脉冲在自由空间中的结构图,并展示了它们在传播过程中的动力学特性。这项技术具备广泛的应用潜力,特别是它的光谱和偏振特性,能传输比传统电磁波更多的资讯,有可能成为未来通讯网络的核心技术。研究人员表示,这项技术在资料传输和编码方面具有突破性,为现有技术瓶颈提供了全新的解决方案。
此外,此外,电磁涡旋环即使在受到环境干扰时,依然能维持结构的稳定,这让它在遥感技术(remote sensing)和目标探测领域展现出巨大的应用潜力。研究团队解释:“透过分析这些涡旋脉冲的特殊模式,我们可以开发出更精准且可靠的目标探测与定位技术,不论是在国防系统还是太空探索方面,都有著非常重要的应用前景。”
这项研究近日发表于《应用物理评论》(Applied Physics Reviews)期刊,为未来科技的发展开启了全新可能性。随著更多后续研究的展开,电磁涡旋炮在各领域的应用将会更加深入,带来革命性的技术变革。
“电磁涡旋炮”(electromagnetic vortex cannon)示意图。(取自Applied Physics Reviews期刊)