导读
声学功能器件一直是声学计算和通信的核心元件。近日，来自南京大学的刘晓宙课题组和卢明辉课题组合作提出一种无源声学PT对称超构材料中相干完美吸收-激发点(Coherent perfect absorber-emitter point, CPA-emitter )的概念，即光学PT对称系统中的CPA-laser点在无源PT对称声学系统中的等价点。采用周期性分布泄漏结构的矩形波导，实现了无源PT对称势的调控。通过精巧地设计无源超构材料的无损和损耗区域，在CPA-emitter点处达到高效率的相干控制，从而使吸收和发射状态之间具有较大的对比度。利用该无源PT对称超构材料在理论和实验上实现逻辑门和小信号放大器集成的声学器件。相关研究以“Acoustic Multifunctional Logic Gates and Amplifier Based on Passive Parity-Time Symmetry”为题发表在PHYSICAL REVIEW APPLIED [PHYSICAL REVIEW APPLIED 13, 034047 (2020)]。
宇称时间((Parity-Time，PT))对称性最初是量子力学中的一个概念，1998年由Bender和Boettcher教授研究构造了一种异于经典量子系统的PT对称量子系统，该研究表明非厄米—算符本征值在宇称时间对称性亦可为实数。近年来，PT对称性被推广到经典波系统，在光学和声学等领域也存在PT对称性。PT对称系统一般存在两类简并点。一类是在对称破缺临界点处的特殊点(Exceptional point，EP)，在该特殊点存在对称性自发破缺提供单向反射特性。在该特殊点附近，可以呈现单向隐身、单向无反射、相干完美吸声和单模激光等奇特的物理现象。另一类简并点发生在对称性破缺相内的相干完美吸收-激光点(coherent perfect absorber-laser point，CPA-laser)，其散射矩阵的本征值的极值点和零点在该点处共存。在CPA-laser点附近，系统会呈现出完美吸声和激射共存现象，这一特性为实现高对比度的光波调制提供了新的途径。如果将光学中对称破缺相内的CPA-laser点引入到声学PT对称系统中，则有望实现具有放大、吸收以及调制等的多功能声学器件。
如图1(a)所示，设计的无源PT对称超构材料的复折射率调制是由精确的PT对称系统的复折射率调制演变而来。图1(b)展示了所设计的无源PT对称系统的结构示意图，所构建系统是一个一维双端口系统，它由无损媒质(A区域)和损耗媒质(B区域)交替且周期排列构成。
图1无源PT对称超构材料的设计。(a)折射率n的实部(红色实线)和虚部(黑色虚线)沿着x轴方向的分布，从有源宇称时间对称系统到无源宇称时间对称系统演变过程。(b)无源PT超构材料的空间结构示意图。
在CPA-emitter点处的研究表明，当左右两侧入射声波之间的相位差
时，损耗媒质占主导地位，从而导致左右两侧出射声波幅值为零，此时系统处于相干完美吸收状态。当左右两侧入射声波之间的相位差
时，无损媒质占主导地位，入射声波的损耗达到最小值，左右两侧出射声波幅值在该频率点达到极值，此时系统处于相干激发状态。图2(a)和2(b)分别为声波从超构材料的左侧或右侧单独入射后的声场分布。图2(c)和2(d)代表声波从左右两端同时入射，相位差分别为
和
时的声场分布。通过设置合适的阈值
即可实现声学与门、或门、异或门以及非门，如图3所示。
图2 CPA-emitter点处的数值模拟声压场分布图。其中黑色箭头代表的是入射声波的方向。(a)和(b)分别表示声波从左侧和右侧单独入射。(c)和(d)分别代表声波从左右两端同时入射，相位差分别为
和
。PT对称超构材料左右两侧的声场统一减去入射声波，剩下反射波和透射波的叠加声场。
图3实验测得的输入声波对应的输出声波。(a)和(b)代表左右两侧入射声波。(b)，(c)和(d)分别是相应的与门、或门和异或门对应的输出声波。其中红色虚线和黑色虚线分别代表阈值A1和A2。
此外，设计的无源PT对称超构材料还可以实现小信号放大器的功能。图4(a)为小信号放大器的原理图，左侧端口被定义为控制端口输入声波幅值固定，右侧端口被定义为输入端口，且左右两端输入声波之间的相位差为
。如图4(b)所示，PT对称超构材料对小信号的放大能力比较强，输入信号越大放大的倍数也就越弱，当输入声波
和控制端的输入声波
的比值小于0.5时，放大倍数将大于1，此时该小信号放大器处于工作状态。随着输入声波的不断增加，放大倍数趋于一个稳定值约为0.34。
图4 (a)实现小信号放大器的原理图。(b)理论，数值模拟和实验得到的放大倍数随输入声波幅值与控制声波幅值的比值的变化情况。
研究人员研究利用CPA-emitter点处的效应，通过调节损耗和无损区域宽度可以使该结构使用于不同的入射频率，提出的被动PT对称超构材料由周期性分布泄漏结构的矩形波导组成，可实现对折射率虚部的调制，在相干完美吸收-激发点处的理论和实验结果表明，该结构可以同时支持相干完美吸收和激发模式，通过调控左右两端口入射声波的相位和振幅分别实现了声逻辑门(与门、或门、异或门以及非门)和小信号放大器的功能。这项工作将声学超构材料与非厄米系统中的相干完美吸收-激发点相结合，为声学功能器件的设计引入了更多的思路。
该项工作得到国家重大科学研究计划（2017YFA0303702）、人工微结构科学与技术协同创新中心、国家自然科学基金项目的支持。
文章链接
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevApplied.13.034047
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