非厄米声学超构表面非对称反射镜

同济大学声学研究所李勇研究员课题组和北卡州立大学景云副教授课题组合作在非厄米声学超构表面领域取得重要进展，利用梯度折射率功能基元及其中粘滞损耗效应构造了非厄米声学超构表面系统，并在奇异点(Exceptional Point)处实现了非对称声反射镜。相关研究成果于2019年11月22日以“Extremely asymmetrical acoustic metasurface mirror at the exceptional point”为题发表于物理评论快报（Physical Review Letters）第123卷第21期上 [Phys. Rev. Lett. 123, 214302 (2019)]。同济声学所王旭副教授和17级直博生房鑫盛为共同第一作者，景云副教授和李勇研究员为论文共同通讯作者，毛东兴教授作出了重要贡献。

       声学超构表面是由声学功能基元按照特定序列构成的超薄平面结构，由于其对声波的灵活调控能力，在声场调控、噪声控制等领域具有重要的应用前景。常规声学超构表面通常被认为是无损系统，通过调节功能基元的等效折射率实部来实现声场操控。值得注意的是，声波系统有别于电磁波系统，由于边界层的存在，声学系统中的损耗效应是自然存在的，当功能基元处于亚波长尺度时，基元中的损耗效应不可忽略，并可能严重破坏器件功能。为了减少损耗对声学超构表面功能的影响，通常做法是通过设计尺寸较大的功能基元来尽可能规避损耗效应，但这也成为限制声学器件进一步微型化的技术瓶颈。

       在该工作中，研究者们反其道而行，不再尝试去规避基元中的损耗效应，而是积极利用并精细调控基元中的损耗效应，以期实现无损系统无法实现的奇异声场调控现象。研究者们首先构建了一个具有梯度相位的无损声学超构表面，然后对其中某一功能基元引入损耗，进而构造了二通道非厄米声学超构表面系统[图1]。通过调节超构表面的相位梯度偏置及基元的损耗，可以实现超构表面散射矩阵本征值及本征矢量的简并，达到该非厄米系统的奇异点[图2]。有趣的是，当系统处于奇异点时，声学超构表面可实现极度的非对称声反射镜：左斜入射的声波被几乎完全吸收（反射系数约等于0），而右斜入射声波被几乎全部沿原路径反射回去（nearly total retro-reflection），其反射系数高达0.973[图3]。研究者们进一步从实验上验证了声非对称反射现象[图4]，当声波从右侧入射时，逆反射现象十分明显[图4(c)]，但当声波以相同角度从左侧入射时，声波能量几乎被全部吸收[图4(d)]。

       该工作一方面将非厄米系统的研究拓展到了二维声学结构上，使得声学超构表面成为研究非厄米系统物理特性的重要平台；另一方面通过精细调控功能基元中损耗效应为声波操控提供了额外的自由度，有助于实现一系列新奇声学现象以及设计新原理声学器件。

       该项工作得到国家自然科学基金、中科协青年人才托举工程、上海市科委的支持。

       论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.214302

图1 非厄米声学超构表面示意图,在奇异点处可实现极度非对称反射。

图2 (a)散射矩阵本征值随损耗的变化轨迹。(b)反射系数幅值和(c)相位随损耗变化的示意图。

图3 上下行分别展示了声波左入射和右入射时声压的理论分布情况，从左到右分别为：入射场、总散射场、逆反射场和镜面反射场。

图4 (a)超构表面样品示意图。左图为样品的底部构造，右上图表示带有狭缝的凹槽由吸声棉附着，右下为样品一个周期的俯视图。(b)实验平台示意图。(c)理论和实验上超构表面在奇异点处的散射场示意图。底部四个图形显示了声压沿着图中虚线的分布情况。