新穎非厄米聲學及聲場調控研究的新進展在《自然》發表

圖1 非厄米拓撲聲子晶體構建和相位控制

　　在國家自然科學基金項目（批準號：11922407、12074183）等資助下，南京大學聲學研究所劉曉峻教授和程營教授課題組與西班牙約翰·克里斯滕森教授課題組合作，首次利用碳納米管（CNT）薄膜的熱聲效應實現了等效聲增益介質，并構建出一種受拓撲保護的非厄米耳語回廊結構，為非厄米拓撲聲學理論研究提供了優異平臺。該成果以“非厄米拓撲耳語回廊（Non-Hermitian topological whispering gallery）”為題，于2021年9月29日發表在《自然》（Nature）雜志上。

　　文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03833-4。

　　自2016年諾貝爾物理學獎被授予拓撲相變和拓撲絕緣體，從凝聚態到光子晶體的相關拓撲結構研究成為物理學最前沿的學術方向之一。目前拓撲系統研究的理論框架主要建立于厄米體系，有關非厄米拓撲結構的研究體系亟待完善和發展。尤其在聲學系統中，聲增益介質的缺失從根本上限制了非厄米聲拓撲結構的實現。國際上已有的一維非厄米聲學系統均基于傳統揚聲器模擬構建，這種架構難以支持高維拓撲結構的聲場調控，構建更加有效的等效聲增益介質，在非厄米拓撲聲學研究領域是一項重大挑戰。

　　南京大學劉曉峻教授和程營教授研究組巧妙設計了一種非厄米聲學元件，通過將CNT薄膜覆蓋于3D打印圓柱表面，并利用電激勵下的熱聲效應準確構造出理論方案中二維結構的等效聲學增益介質層，進而構建了非厄米拓撲聲子晶體實驗系統。同時，通過調節實驗參量將初基原胞內各單元相位鎖定，實現了系統的非厄米相位控制。隨后，研究組設計了受拓撲保護的耳語回廊結構，當初基原胞相位延遲鎖定為0時系統僅產生無旋回廊共振模式；當相位延遲鎖定為2π時系統轉而產生分離的順時針、逆時針兩種回廊共振模式，進而實現了類似“拓撲激光”的“拓撲激聲”，獲得了聲束增強的高指向性輻射（如圖1所示）。

　　該研究開辟了等效聲增益介質模擬的新途徑，為基于經典聲波體系研究非厄米拓撲物理中的新奇現象提供了新方向，相關技術方案也可推廣到MEMS聲表面波體系，有望推動非厄米拓撲聲學的發展和應用。