近日，东北大学机械学院杨天智教授与沈阳建筑大学石怀涛教授团队联合美国罗文大学Chen Shen教授团队，在异质双层摩尔超表面体系相关研究中取得重要突破，相关成果以“Acoustic Moiré Flat Bands in Twisted Heterobilayer Metasurface”为题，发表在国际著名期刊Advanced Materials上。东北大学机械工程学院为第一完成单位，东北大学博士生范世达、韩承霖为共同第一作者，杨天智教授、石怀涛教授和Chen Shen教授为共同通讯作者。东北大学何宽、白亮和哈尔滨工业大学陈立群教授也对论文作出了重要贡献。
在微观尺度下，扭转双层二维材料（如同质扭转双层石墨烯，或异质扭转结构如石墨烯与二硫化钼MoS₂的组合）已展现出一系列新奇现象，包括超导、极化激元以及负折射成像等。然而，在宏观声学领域中，是否也能产生类似现象，目前仍属未知。传统声学摩尔超表面的研究主要集中在同质结构上，即通过旋转叠加两个具有相同晶格的超表面实现对声波的调控。
本研究创新性地引入了一种基于不同晶格构建的异质双层声学匹配方法，为摩尔结构提供了全新的结构自由度，有效突破了传统同质双层超表面在声学操控方面的局限。我们设计并构建了由正方形晶格和三角形晶格组成的异质双层系统，不同晶格对应不同的色散关系，借助色散曲线的异质耦合，实现了可调控的魔角行为与拓扑相变，显著增强了双层结构的调控能力与应用潜力，并展现出类似激化激元特性的声波局域传输现象。
研究表明，当两个异质声学超表面以特定角度旋转叠加时，系统会经历拓扑相变，表现为波的传播特性从双曲型向椭圆型的转变。在某一特定“魔角”下，杂化色散曲线趋于平行，形成一个显著抑制衍射的平坦带，使声波能够以最小能量损耗实现高效传播。此外，异质摩尔声学系统在面对结构缺陷或局部扰动时展现出优越的鲁棒性，即使引入线性缺陷，其传播特性亦几乎不受影响。本研究突破了同质超表面设计的固有限制，为调控声波与材料之间的相互作用开辟了全新路径。
与同质晶格相比,由于两种不同晶格分别对应不同曲率的色散关系，异质晶格在实现色散曲线杂化时展现出更高的灵活性。
图1|异质双层系统的双曲表面极化。a, 正方形和三角形晶格的示意图、异质双层结构的概念图。b, 同质双层和异质双层的色散曲线杂化图。c, 双曲和椭圆模式之间声场模式的三维可视化。
通过绘制两种晶格耦合管的声场传输路径，结合声压连续条件与质量速度连续条件，首先获得了单层超表面的色散曲线。进一步利用旋转矩阵对上下两层进行耦合，从而推导出双层超表面的色散特性。当旋转角度为 0° 时，色散曲线呈现典型的双曲型特征，表明系统具有显著的各向异性，声波传播展现出强烈的方向性。当旋转角度增加至 26° 时，色散曲线变得异常平坦表现为两条平行线，此时声波以无衍射形式传播，具有低损耗特性。随着旋转角度进一步增大至 60° 和 90°，色散曲线逐渐闭合，波的传播特性趋于均匀，表现出较强的各向同性。
图2|异质双层超表面的理论模型。a-d, 正方形晶格和三角形晶格的主视图以及俯视图。e-h, 在激发频率f=1880Hz下，扭转角分别为θ=0°, 26°, 45°, 75°和 90°时的等频线。
实验中，将一个小型声源置于超表面超表面下方，激发频率为𝑓=1880 Hz。一个声学探头被安装在超表面上方 10 mm 处，并在二维空间内移动，以采集声压分布数据，另一个声学探头固定在超表面下方，用于记录参考声压。为了有效抑制反射声波，在超表面下方设置了完美匹配层（PML）以吸收传播的声波。
图3|异质双层超表面的实验观察。a,用于测量异质双层超表面的声学实验装置示意图。b, 3D打印的声学超表面。c-d, 不同扭转角度下测量的声场及其对应的FFT。
异质双层摩尔系统展现出优异的鲁棒性，使声波在存在缺陷或结构不规则的情况下，仍能稳定传播，保持其能量和方向性。这种对缺陷失真的免疫能力，有助于提升声学系统在实际应用中的稳定性和可操作性。
图4|异质双层超表面线缺陷下的鲁棒性研究。a-b, 三角形晶格和正方形晶格超表面分别引入线缺陷的模型图。c, 超表面引入缺陷后的声压场图。
异质双层摩尔超表面通过杂化具有不同曲率的色散关系，相较于传统均质双层结构，提供了更大的角度调控自由度，使色散曲线的耦合更为灵活可控。在特定魔角条件下，该系统展现出优异的声波传输性能。我们进一步证实其在面对线性缺陷与结构不规则性时具有显著的鲁棒性。可以预见，借助该异质双层系统所引入的新增设计自由度，有望进一步实现更多独特的波动效应，拓展摩尔结构在声学波控制领域的应用边界。
以上工作获得国家万人计划、国家自然科学基金项目、中央高校基本科研业务费项目、国家自然科学基金科学中心项目的支持。
文章链接:
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202418839?af=R
