从耦合束缚态实现卓越能量收集：开启可持续能源新征程

为解决可持续能源获取问题，研究人员开展基于束缚态（BICs）的声能收集研究。发现 BIC 声能收集器性能优于传统亥姆霍兹共振器，耦合 BICs 形成的超级 BIC 可大幅提升能量收集能力，为低功耗设备供能提供新途径。

　　在当今世界，能源问题是社会发展的关键制约因素。随着化石燃料日益稀缺，环境问题不断加剧，寻找可持续、低成本的能源获取方式迫在眉睫。噪声作为一种无处不在的能源，虽然能量密度低，但却极具开发潜力。然而，传统的能量收集方式难以有效利用噪声能量。在此背景下，来自 Technical University of Munich、University of New South Wales 等机构的研究人员开展了基于束缚态（Bound states in the continuum，BICs）的声能收集研究，相关成果发表于《Nature Communications》。

研究人员运用了理论分析、数值模拟和实验验证等技术方法。在理论分析方面，通过构建非厄米哈密顿量来描述开放系统，进而预测 BIC 的形成；数值模拟借助商业软件 COMSOL Multiphysics，考虑多种物理条件对系统进行建模；实验验证则通过 3D 打印制备样品，利用阻抗管测量吸收系数，采用激光多普勒测振仪测量压电换能器（PZT）的速度和输出电压 。

研究结果主要分为以下几部分：

• BIC 预测：构建 F-W BIC 的开放系统，通过特定的几何参数配置形成 F-W BIC。利用二维简化模型和两模近似得到两能级有效非厄米哈密顿量，数值模拟和理论模型均能准确预测 BIC 的形成，为后续研究奠定基础。
• 最大输出电压的实验验证：制造三种不同配置样品，分别为装有 PZT 的 3D 打印声硬终端、基于亥姆霍兹共振器的收集器和装有 PZT 的完全简化腔（FRC）。在阻抗管中测量吸收系数，用激光多普勒测振仪测量 PZT 模态场。结果显示，FRC 吸收系数最高，在白噪声激励下，FRC 的 PZT 输出电压 ASD 比亥姆霍兹共振器高 2.2 倍，验证了 FRC 在输出电压方面的优势。
• 最大输出功率的实验验证：对 FRC 收集系统进行数值研究，通过改变电阻测量输出功率。发现当电路中接入 1 kΩ 电阻时，输出功率最大为 822 nW ，FRC 在输出功率上比亥姆霍兹共振器高约 10 倍，系统能量转换效率约为 10%。
• 耦合束缚态用于声能收集：提出在伪自由场环境下研究 BIC 收集器的性能。设置三种测量配置，发现两个 FRC 耦合形成的超级 BIC 可使输出电压大幅提升，相比单个 FRC，输出电压 ASD 增加 50 倍，展现出卓越的能量收集能力。

研究结论和讨论部分指出，BIC 收集器在声能收集方面表现卓越，优于传统亥姆霍兹共振器。虽然当前理论模型存在一定局限性，但在本研究中精度足够。此外，BICs 存在窄带问题，可通过创建具有可变法诺共振的 BIC 阵列解决。该研究展示了一种可持续、低成本的 BIC 收集器，为低功耗设备供能提供了新方向，在离网、自供电传感器、医疗植入物等领域具有巨大应用潜力，朝着实现更绿色、清洁的世界迈出了重要一步。