聲學(xué)在國家重大需求和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等諸多方面都發(fā)揮著重要作用，諸如信號傳輸、無損探測、全息成像、粒子操控等。攜帶軌道角動(dòng)量(OAM)的聲渦旋場能夠提供正交的模式，擁有無限維度的希爾伯特空間，在多通道、高度集成的聲信息傳輸中，具有傳輸實(shí)時(shí)、數(shù)據(jù)可編碼、損耗低、傳輸精度高等優(yōu)點(diǎn)，為提高聲通信容量提供了新途徑。利用高空間利用率的超表面設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)聲渦旋的不對稱傳輸，將為方向依賴的OAM應(yīng)用帶來極大的便利，具有推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的巨大潛力。

近日，南開大學(xué)陳樹琪教授和程化教授團(tuán)隊(duì)在打破聲渦旋傳輸?shù)溺R面對稱研究中取得重要進(jìn)展，基于聲學(xué)超聲柵結(jié)構(gòu)的OAM衍射機(jī)理，提出了透射相位調(diào)控的新機(jī)制，首次利用單個(gè)超表面在互易聲學(xué)系統(tǒng)中打破了聲渦旋透射的鏡面對稱。該研究成果以“Mirror symmetry broken of sound vortex transmission in a single passive metasurface via phase coupling”為題發(fā)表在《Physical Review Letters》（物理評論快報(bào)）上。

打破聲渦旋傳輸?shù)溺R面對稱示意圖

與需要有源器件或外部干預(yù)的非互易調(diào)制相比，采用無源和簡單結(jié)構(gòu)的互易調(diào)制為緊湊型聲學(xué)系統(tǒng)提供了更大的靈活性和適用性。然而，受到互易性的限制，單個(gè)超表面對于正入射與背入射的聲波提供的透射相位是固定的，因此透射聲渦旋所附加的相位扭轉(zhuǎn)具有鏡面對稱的特性。具體來說，鏡面對稱的聲渦旋分別從兩端經(jīng)過單個(gè)超表面產(chǎn)生的透射渦旋同樣具有鏡面對稱性。因此，對于空氣聲波這一標(biāo)量波來說，在互易系統(tǒng)中，利用單個(gè)無源的超表面打破聲渦旋傳輸?shù)溺R面對稱是一個(gè)挑戰(zhàn)，具有較高的理論研究價(jià)值與實(shí)際的應(yīng)用前景。本工作設(shè)計(jì)出能夠同時(shí)調(diào)控聲波透射與反射的超聲柵，基于聲渦旋衍射定律，首次提出了聲波的透射相位與反射相位的耦合機(jī)制。利用波導(dǎo)模式限制，入射聲渦旋在超表面內(nèi)部多次內(nèi)反射，透射相位與不對稱的反射相位耦合，從而實(shí)現(xiàn)對于透射聲波的不對稱相位控制。本工作根據(jù)所提出的相位耦合機(jī)制，在聲波導(dǎo)中打破了聲渦旋傳輸?shù)溺R面對稱，為互易聲學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)渦旋不對稱信號傳輸提供新的思路。

南開大學(xué)博士生唐鈺淦為第一作者，陳樹琪教授和程化教授為共同通訊作者，南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院和材料科學(xué)與工程學(xué)院為論文完成單位。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目等資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.177001