中國科學家發現聲學中的「雙面神」:超越聲自旋的近場調控

2020-11-23 騰訊網

人類對聲現象的研究古已有之。近場倏逝波聲場是一種常見的波動模式，其波動強度會隨距離增加而指數型下降，呈現出高度的空間局域性。它可以攜帶信息，且具備很高的能量密度，因此在信息傳輸、無線傳能、無損探測、超分辨顯微成像等方向具有廣闊的應用前景。但是這些應用都需要一個前提：對近場波的選擇性調控。

怎樣才能使近場波像遠場波一樣，具有高度可調的方向性和高指向性？

對於光學近場波的選擇性調控，已有不少研究工作。但是聲學縱波缺乏電磁橫波豐富的偏振極化自由度，其深亞波長尺度的近場研究受到了諸多限制。對於近場物理中的對稱和拓撲性質，也還缺乏系統性的理解。

最近，同濟大學聲子學與熱能科學中心任捷教授、陳鴻教授課題組和南京大學現代工學院盧明輝教授、陳延峰教授課題組合作，基於南京大學和中科院聲學所許相園博士、鮑明教授課題組聯合研發的矢量聲學探測器，在《國家科學評論》(National Science Review，NSR) 上發表研究論文，在實驗和理論上系統性揭示了近場倏逝波固有的幾何及對稱性質，並提出了實現選擇性近場縱波耦合的方案。同濟大學龍洋博士和南京大學葛浩博士為該文章的並列第一作者。

要實現波的定向輸運，通常要以其類量子自旋霍爾效應為基礎，利用不同的自旋角動量或手性，通過自旋動量鎖定而實現定向輸運。該工作提出了比聲自旋（Acoustic spin）更進一步的方案，即Janus源和Huygens源。其中Janus是羅馬神話中的「雙面神」，頭部前後各有一張面孔。顧名思義，Janus源選擇性地只與單側模式耦合，這種性質為近場所獨有。而Huygens源不論遠場近場都是單向選擇耦合，耦合方向垂直於Janus源。

羅馬神話中的「雙面神」雅努斯Janus

如何在近場聲學中實現Janus源和Huygens源呢？在物理學中，對稱性佔有相當重要的地位。科學家們發現近場波的動力學特性可以利用具有不同對稱性的三種幾何正交矢量來描述：具有宇稱-時間對稱性的時間平均能流(Poynting vector)J、具有時間反演對稱性的無功功率(Reactive power)R、具有空間反演對稱性的自旋角動量(SAM)s。根據文中的聲輻射理論，聲源可以看作是聲單極子、偶極子和四極子的疊加。所以，上述三種信號源（聲spin源、Janus源和Huygens源）可以由不同的聲單、偶極子組合來實現，並且具有各自不同的對稱性。

(a)倏逝波可以在傳播介質(空氣)和絕緣介質(灰色塊)的界面上傳播。壓力場由彩虹色波表示，速度場由紅色箭頭表示。其近場特性可以由三個矢量物理量表示：時間平均能量流J、無功功率R和聲SAM密度s。(b)三個正交向量:J(黃色)、R(藍色)和s(綠色)在宇稱-時間, 時間反演, 空間反演變換下有不同的對稱性。

接下來，如何在實驗中實現這三種聲源呢？科學家們利用五個環形排列的揚聲器，對每個揚聲器的振幅和相位進行獨立控制，從而實現單偶極子的任意組合，構建出了三種聲信號源。而近場波可以利用兩個相互對立的梳狀表面結構構造。

(a)利用五個揚聲器(單極)來實現不同的聲源。(b)實驗裝置照片。該梳狀鋁結構是一種具有有效負參數的聲學超材料，支持豐富的表面近場聲波模式。

當從系統中間激發普通信號源時，聲音在上下左右四條支路上都會傳輸。但當源具有不同對稱性時，結果大不相同：Janus源選擇性地耦合到單側(上或下表面)；Huygens源激發單向(左或右半邊)的表面模態；而聲自旋源則在對角方向上激發。這與理論預測結果吻合得非常好。此外，當不同的源激發時，聲近場波中自旋角動量的對稱性也得到了充分的討論和實驗驗證。

Janus源, Huygens源和spin源的近場耦合實驗結果，內部插圖為三種聲源的遠場輻射模式。

任捷教授介紹說：「該合作為近場倏逝波的對稱性研究打開了一扇新的大門，可以指導具有新奇性質的近場波源的定向設計。在未來，我們希望這種方法可以在多個領域獲得應用，包括近場聲音傳感器、用於材料缺陷檢測和微區彈性測試的近場聲顯微鏡、聲音信息和能量的定向耦合輸運、與納米技術結合製造集成納米聲子器件等。」

值得注意的是，這種基於對稱性分析的源設計方法也可以推廣到其它波的研究領域，為各種光學、聲學、聲子學、力學器件的小型化、高效化、集成化提供可能。該項合作研究工作受到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市科委的資助。

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