我国学者与海外合作者在新颖非厄米声学及声场调控研究中取得进展

　　

图1 非厄米拓扑声子晶体构建和相位控制

　　在国家自然科学基金项目（批准号：11922407、12074183）等资助下，南京大学声学研究所刘晓峻教授和程营教授课题组与西班牙约翰·克里斯滕森教授课题组合作，首次利用碳纳米管（CNT）薄膜的热声效应实现了等效声增益介质，并构建出一种受拓扑保护的非厄米耳语回廊结构，为非厄米拓扑声学理论研究提供了优异平台。该成果以“非厄米拓扑耳语回廊（Non-Hermitian topological whispering gallery）”为题，于2021年9月29日发表在《自然》（Nature）杂志上。

　　文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03833-4。

　　自2016年诺贝尔物理学奖被授予拓扑相变和拓扑绝缘体，从凝聚态到光子晶体的相关拓扑结构研究成为物理学最前沿的学术方向之一。目前拓扑系统研究的理论框架主要建立于厄米体系，有关非厄米拓扑结构的研究体系亟待完善和发展。尤其在声学系统中，声增益介质的缺失从根本上限制了非厄米声拓扑结构的实现。国际上已有的一维非厄米声学系统均基于传统扬声器模拟构建，这种架构难以支持高维拓扑结构的声场调控，构建更加有效的等效声增益介质，在非厄米拓扑声学研究领域是一项重大挑战。

　　南京大学刘晓峻教授和程营教授研究组巧妙设计了一种非厄米声学元件，通过将CNT薄膜覆盖于3D打印圆柱表面，并利用电激励下的热声效应准确构造出理论方案中二维结构的等效声学增益介质层，进而构建了非厄米拓扑声子晶体实验系统。同时，通过调节实验参量将初基原胞内各单元相位锁定，实现了系统的非厄米相位控制。随后，研究组设计了受拓扑保护的耳语回廊结构，当初基原胞相位延迟锁定为0时系统仅产生无旋回廊共振模式；当相位延迟锁定为2π时系统转而产生分离的顺时针、逆时针两种回廊共振模式，进而实现了类似“拓扑激光”的“拓扑激声”，获得了声束增强的高指向性辐射（如图1所示）。

　　该研究开辟了等效声增益介质模拟的新途径，为基于经典声波体系研究非厄米拓扑物理中的新奇现象提供了新方向，相关技术方案也可推广到MEMS声表面波体系，有望推动非厄米拓扑声学的发展和应用。