绝热声学系统中单向声波局域化

本文作者：沈亚西，文章来源：两江科技评论

导  读

近日华中科技大学物理学院祝雪丰副教授与香港理工大学机械工程系祝捷副教授合作将量子受激绝热调控概念类比引入到声学领域。利用声学腔体类比原子分立能级，腔体间时变耦合作用类比泵浦脉冲，在实验上观测到绝热声学系统中声波非互易单向局域效应。相关结果以“One-Way Localized Adiabatic Passage in an Acoustic System”为题，于2019年3月8日在线发表于物理评论快报(Physical Review Letters)。华中科技大学物理学院博士生沈亚西，彭玉桂为该论文的共同第一作者，赵德刚副教授，硕士生陈心成作出了重要贡献。

创新研究

拉曼受激绝热技术利用特殊控制辐射脉冲序列，有效且有选择性地在不同能级之间泵浦微观粒子。由于这项技术在粒子泵浦方面具有优越的定向选择性和非互易性，近年来被广泛地应用于原子分子物理、量子信息以及固体物理等领域。在声学领域中，声波的定向选择性传输和非互易传输也是重要的热门研究课题。

文章中，作者将声学腔体模型类比于原子分立能级，将腔体间时变耦合作用类比于泵浦脉冲(如图一所示)。理论和实验上证明，在特殊时变耦合序列作用下，声波可有效地从初始激发腔体(A腔体)向目标腔体(C腔体)传输，且不受中间暗态腔体(B腔体)影响。即便中间暗态腔体存在很大损耗，声波仍能从激发腔体全部传输至目标腔体。当声波从目标腔体反向传输时，声波完全局域于中间暗态腔体(如图二所示)。若中间暗态腔体存在很大损耗，声能可完全耗散于其中。作者进一步研究了绝热非互易声传输与腔体间耦合作用序列之间延迟时间的关系。模拟和实验均表明，当耦合作用序列之间延迟时间位于特定范围内，系统满足良好绝热条件，激发腔体与目标腔体之间具有较高声传输效率(图三)。值得一提的是，作者独辟蹊径，将时间轴映射到一个更高维度空间轴(赝时间轴)，从而将低维绝热时变声学体系转化为高维静态声学体系，大大降低了实验研究绝热时变声学过程的挑战。该研究工作为研究其他低维绝热时变声学系统提供了一个可供选择且易于实现的物理模型。非互易单向声局域效应在声学二极管和声学拓扑绝缘体方面存在潜在的应用，将进一步推进相关热门领域的发展。

图文速览

图一: (a) 原子三能级系统(1-2-3)。(b) 反常脉冲辐射序列(2和3能级间Stocks脉冲先作用，1和2能级间泵浦脉冲后作用)。(c) 声学时变耦合腔体系统(A-B-C)。(d) 反常时变耦合作用序列(B和C腔体间时变耦合先作用，A和B腔体间时变耦合后作用)。

图二: 单向声局域绝热过程实验验证。(a) A腔体激励条件下，归一化声强演化过程。(b) C腔体激励条件下，归一化声强演化过程。(c) A腔体激励条件下，各腔体在不同时刻的测量(理论)声强。(d) C腔体激励条件下，各腔体在不同时刻的测量(理论)声强。其中，蓝色方块(蓝色点划线)、黑色圆圈(黑色实线)和红色三角形(红色虚线)分别表示腔体A、B和C中测量(理论)数据。

图三: (a) 相邻腔体之间耦合作用在不同延迟时间下对应的实验样品结构。(b) 声波从A腔体到C腔体的转化效率与耦合作用延迟时间之间关系。(c) 声波从C腔体到B腔体的转化效率与耦合作用延迟时间之间关系。

该工作得到了国家自然科学基金面上项目(1674119，11774297)，重大项目(11690030，11690032)，香港RGC基金(PolyU 252081/15E)的资助。

 文章链接

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.094501