损耗助力声涡旋手性的“一键切换”

撰稿|由课题组供稿

日前，同济大学物理科学与工程学院声学研究所祝捷课题组联合中国科学院声学研究所刘拓博士和香港浸会大学马冠聪教授，提出了一种基于非厄米选择性激发的声学轨道角动量产生和调控机制，实现了手性可灵活切换的声涡旋辐射。该工作以“Chirality-switchable acoustic vortex emission via non-Hermitian selective excitation at an exceptional point”为题在线发表于期刊Science Bulletin。

Tuo Liu, Shuowei An, Zhongming Gu, Shanjun Liang, He Gao, Guancong Ma, Jie Zhu, Chirality-switchable acoustic vortex emission via non-Hermitian selective excitation at an exceptional point, Science Bulletin, https://doi.org/10.1016/j.scib.2022.04.009 

声涡旋具有螺旋状的波阵面，在传播轴中心处形成相位奇点及声压零值区。它所携带的轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)能够作用于物体产生力矩，因而在非接触式物体操纵方面有着重要的应用价值。此外，各阶OAM模式间相互正交，能够充当独立的信道，有望作为一重额外的维度资源服务于声通信的扩容和提速。近年来，人工结构的蓬勃发展为声学OAM的产生与检测提供了简洁高效的无源手段。然而，在同一频率下，一种结构设计通常仅支持一个OAM模式；为实现单一器件在多个OAM模式之间的切换，往往需要引入几何形状或系统特性的重构。而可重构能力正是声学人工结构的软肋之一，这极大地制约了相关器件的灵活性和实用性，尤其考虑到许多应用场景对实时及动态调节的要求。同时，相比于光学系统，声波也缺乏如极化方向、自旋-轨道耦合这样的调控自由度，更进一步加剧了这一窘境。因此，发展新的调控机制，对推动无源声学OAM器件的实际应用至关重要。

非厄米环形腔体的手性奇异点（exceptional point, EP）在光学OAM的产生和调控方面展现出了巨大潜力，但目前仍鲜见声学体系下相关概念的开发。腔体内的顺时针和逆时针行波模式于EP处合并成为携带OAM的手性本征模式，伴随希尔伯特空间上维度的减少。但是，一般而言，我们仍然需要将系统重构到具有不同手性的EP处或借助其他调控机制，以实现OAM模式的切换。而最近的研究表明，点源与非厄米简并模式间有着更为丰富的相互作用，能够形成激发声场与本征模式解耦、手性反转的反直觉现象，为产生和控制OAM带来了新的可能。

本文的研究者们提出了一种基于非厄米选择性激发的声学OAM调控新机制：对于工作在EP处的无源宇称时间对称环形腔体，仅通过控制其内两个单极点源的开关状态，就可以选择性地激发顺时针和逆时针行波模式，进而实现对涡旋辐射声场所携带OAM在正、负和零之间的灵活切换。

为说明手性切换机制，研究者们首先展示了EP处腔体内激发声场随点源方位角位置和背景非厄米参数的演化关系（图1），指出了通过重构点源位置或/和系统参数来进行手性调控所面临的苦难。而后，他们给出了基于双点源的非厄米选择性激发及手性切换方案（图2）：点源一满足手性反转条件，在单独工作时产生与非厄米简并模式解耦、手性相反的纯净行波声场；点源二能够激发幅度相等的相向传播模式，在单独工作时形成整体手性为零的驻波声场；通过引入预设的相位差，点源二所产生的其中一个行波分量与点源一所产生的行波干涉相消，使得两点源叠加后的声场具有与非厄米简并模式相同的手性。换言之，在非厄米环形腔体的帮助下，在非厄米环形腔体的帮助下，两个点源的不同开关组合能够映射到声学OAM的方向上，从而动态地切换声涡旋辐射的工作模式。研究者们进一步利用声学人工结构实际构造出了相应的非厄米腔体，通过数值模拟（图3）和实验测量（图4）验证了上述设想。

图1 点源与非厄米简并模式的相互作用。(a) 无源宇称时间对称环形腔体示意图。(b) 激发声场手性随点源位置和背景非厄米参数的演化。

图2 非厄米选择性激发与手性调控机制。(a) 内嵌两个单极点源的半开放非厄米声学环形腔体。(b) 两个点源所产生声场的干涉。(c) 工作模式与点源开关状态的对应关系。

图3 手性可切换声涡旋辐射的数值模拟。(a) 工作模式示意图。腔体内的(b)声压幅值和(c)相位分布。自由空间辐射场的(d)声压幅值和(e)相位分布。

图4 手性可切换声涡旋辐射的实验展示。(a) 实验样品照片。测量得到的(b)声压幅值和(c)相位分布

文章所展示的非厄米选择性激发机制从根本上拓展了现有的声涡旋产生和调控手段，且无需多通道复杂控制电路，抑或任何腔体形状、尺寸的改变，弥补了无源人工结构可调性差的致命弱点。同时它也兼容其他结构变形类的可重构策略，具有进一步功能扩展的潜力。此外，还可以通过对多个工作频率相同、OAM阶数不同的腔体采取同心环式布置，以实现更多OAM模式的同时控制。该项工作有望为手性声场调控以及声源集成、可调的声学OAM器件的发展带来新的契机。

上述论文的第一作者是中国科学院声学研究所刘拓博士，同济大学物理科学与工程学院声学研究所祝捷教授为通讯作者，其他作者包括香港浸会大学马冠聪教授、同济大学顾仲明博士、香港理工大学梁善军博士、郜贺博士和博士生安烁威。

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