文章來源：維也納聲學(xué) 時間：2024-09-23
同濟大學(xué)聲學(xué)研究所李勇研究員課題組和北卡州立大學(xué)景云副教授課題組合作在非厄米聲學(xué)超構(gòu)表面領(lǐng)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(yīng)構(gòu)造了非厄米聲學(xué)超構(gòu)表面系統(tǒng),，并在奇異點(Exceptional Point)處實現(xiàn)了非對稱聲反射鏡,。相關(guān)研究成果于2019年11月22日以“Extremely asymmetrical acoustic metasurface mirror at the exceptional point”為題發(fā)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(xué)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(xué)超構(gòu)表面是由聲學(xué)功能基元按照特定序列構(gòu)成的超薄平面結(jié)構(gòu)，由于其對聲波的靈活調(diào)控能力,，在聲場調(diào)控、噪聲控制等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景,。常規(guī)聲學(xué)超構(gòu)表面通常被認(rèn)為是無損系統(tǒng),，通過調(diào)節(jié)功能基元的等效折射率實部來實現(xiàn)聲場操控。值得注意的是,，聲波系統(tǒng)有別于電磁波系統(tǒng),，由于邊界層的存在，聲學(xué)系統(tǒng)中的損耗效應(yīng)是自然存在的,，當(dāng)功能基元處于亞波長尺度時,，基元中的損耗效應(yīng)不可忽略，并可能嚴(yán)重破壞器件功能,。為了減少損耗對聲學(xué)超構(gòu)表面功能的影響,，通常做法是通過設(shè)計尺寸較大的功能基元來盡可能規(guī)避損耗效應(yīng),，但這也成為限制聲學(xué)器件進一步微型化的技術(shù)瓶頸。
在該工作中,，研究者們反其道而行,，不再嘗試去規(guī)避基元中的損耗效應(yīng)，而是積極利用并精細調(diào)控基元中的損耗效應(yīng),，以期實現(xiàn)無損系統(tǒng)無法實現(xiàn)的奇異聲場調(diào)控現(xiàn)象,。研究者們首先構(gòu)建了一個具有梯度相位的無損聲學(xué)超構(gòu)表面，然后對其中某一功能基元引入損耗,，進而構(gòu)造了二通道非厄米聲學(xué)超構(gòu)表面系統(tǒng)[圖1],。通過調(diào)節(jié)超構(gòu)表面的相位梯度偏置及基元的損耗，可以實現(xiàn)超構(gòu)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(tǒng)的奇異點[圖2],。有趣的是，當(dāng)系統(tǒng)處于奇異點時,，聲學(xué)超構(gòu)表面可實現(xiàn)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(shù)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(shù)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(xiàn)象[圖4],，當(dāng)聲波從右側(cè)入射時，逆反射現(xiàn)象十分明顯[圖4(c)],，但當(dāng)聲波以相同角度從左側(cè)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(tǒng)的研究拓展到了二維聲學(xué)結(jié)構(gòu)上,，使得聲學(xué)超構(gòu)表面成為研究非厄米系統(tǒng)物理特性的重要平臺,；另一方面通過精細調(diào)控功能基元中損耗效應(yīng)為聲波操控提供了額外的自由度，有助于實現(xiàn)一系列新奇聲學(xué)現(xiàn)象以及設(shè)計新原理聲學(xué)器件,。
該項工作得到國家自然科學(xué)基金,、中科協(xié)青年人才托舉工程、上海市科委的支持,。
圖1 非厄米聲學(xué)超構(gòu)表面示意圖,在奇異點處可實現(xiàn)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(shù)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(gòu)表面樣品示意圖。左圖為樣品的底部構(gòu)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(gòu)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
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