文章來源：維也納聲學 時間：2024-09-23
同濟大學聲學研究所李勇研究員課題組和北卡州立大學景云副教授課題組合作在非厄米聲學超構表面領域取得重要進展，利用梯度折射率功能基元及其中粘滯損耗效應構造了非厄米聲學超構表面系統，并在奇異點(Exceptional Point)處實現了非對稱聲反射鏡。相關研究成果于2019年11月22日以“Extremely asymmetrical acoustic metasurface mirror at the exceptional point”為題發表于物理評論快報（Physical Review Letters）第123卷第21期上 [Phys. Rev. Lett. 123, 214302 (2019)]。同濟聲學所王旭副教授和17級直博生房鑫盛為共同第一作者，景云副教授和李勇研究員為論文共同通訊作者，毛東興教授作出了重要貢獻。
聲學超構表面是由聲學功能基元按照特定序列構成的超薄平面結構，由于其對聲波的靈活調控能力，在聲場調控、噪聲控制等領域具有重要的應用前景。常規聲學超構表面通常被認為是無損系統，通過調節功能基元的等效折射率實部來實現聲場操控。值得注意的是，聲波系統有別于電磁波系統，由于邊界層的存在，聲學系統中的損耗效應是自然存在的，當功能基元處于亞波長尺度時，基元中的損耗效應不可忽略，并可能嚴重破壞器件功能。為了減少損耗對聲學超構表面功能的影響，通常做法是通過設計尺寸較大的功能基元來盡可能規避損耗效應，但這也成為限制聲學器件進一步微型化的技術瓶頸。
在該工作中，研究者們反其道而行，不再嘗試去規避基元中的損耗效應，而是積極利用并精細調控基元中的損耗效應，以期實現無損系統無法實現的奇異聲場調控現象。研究者們首先構建了一個具有梯度相位的無損聲學超構表面，然后對其中某一功能基元引入損耗，進而構造了二通道非厄米聲學超構表面系統[圖1]。通過調節超構表面的相位梯度偏置及基元的損耗，可以實現超構表面散射矩陣本征值及本征矢量的簡并，達到該非厄米系統的奇異點[圖2]。有趣的是，當系統處于奇異點時，聲學超構表面可實現極度的非對稱聲反射鏡：左斜入射的聲波被幾乎完全吸收（反射系數約等于0），而右斜入射聲波被幾乎全部沿原路徑反射回去（nearly total retro-reflection），其反射系數高達0.973[圖3]。研究者們進一步從實驗上驗證了聲非對稱反射現象[圖4]，當聲波從右側入射時，逆反射現象十分明顯[圖4(c)]，但當聲波以相同角度從左側入射時，聲波能量幾乎被全部吸收[圖4(d)]。
該工作一方面將非厄米系統的研究拓展到了二維聲學結構上，使得聲學超構表面成為研究非厄米系統物理特性的重要平臺；另一方面通過精細調控功能基元中損耗效應為聲波操控提供了額外的自由度，有助于實現一系列新奇聲學現象以及設計新原理聲學器件。
該項工作得到國家自然科學基金、中科協青年人才托舉工程、上海市科委的支持。
圖1 非厄米聲學超構表面示意圖,在奇異點處可實現極度非對稱反射。
圖2 (a)散射矩陣本征值隨損耗的變化軌跡。(b)反射系數幅值和(c)相位隨損耗變化的示意圖。
圖3 上下行分別展示了聲波左入射和右入射時聲壓的理論分布情況，從左到右分別為：入射場、總散射場、逆反射場和鏡面反射場。
圖4 (a)超構表面樣品示意圖。左圖為樣品的底部構造，右上圖表示帶有狹縫的凹槽由吸聲棉附著，右下為樣品一個周期的俯視圖。(b)實驗平臺示意圖。(c)理論和實驗上超構表面在奇異點處的散射場示意圖。底部四個圖形顯示了聲壓沿著圖中虛線的分布情況。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.214302