撰稿|由课题组供稿
近日，香港大学张翔课题组，浙江大学杨怡豪课题组及江苏大学孙宏祥课题组合作，在超材料领域取得新进展。研究团队基于杨单极子超材料的非均匀微扰设计实现了涡旋弦(vortex string)超材料结构，实验观测到涡旋弦手性模式(vortex-string chiral mode)。相关研究成果以“Observation of vortex-string chiral modes in metamaterials”为题发表在Nat. Commun. 15, 2332 (2024)上，香港大学博士后马静文为第一作者，孙宏祥教授，杨怡豪教授和张翔教授为论文通讯作者。另外，浙江大学博士后张莉、陈红胜教授，江苏大学贾鼎高级实验师、管义钧副教授、葛勇副教授、袁寿其教授对此工作也做出了重要贡献。
涡旋弦是天体物理学领域中长期寻求的一种假想存在的时空几何拓扑缺陷，其实验观测可能为早期宇宙的演化过程提供重要线索。涡旋弦能与Weyl费米子模式相互作用，从而支持沿着弦传播的无质量手征反常态，这也是其关键特征之一。迄今为止，研究人员一直致力于在天体物理学中探测涡旋弦，以及在人工构建的系统中数值模拟涡旋弦的特征，然而，在实验上实现涡旋弦手性模式仍然具有很大的挑战。此项工作基于杨单极子超材料的非均匀微扰，在声学超材料中实验观测到了涡旋弦手性模式。实验测量的色散关系和模场分布进一步证实了具有手征特征的拓扑模式沿着弦传播。
通过对声学超材料的精心设计，该工作实验观测到了涡旋弦手性模式。具体地说，研究人员在杨单极子超材料中施加了非均匀微扰，使其能够支持具有线性无能隙色散和手征传播特征的涡旋弦手性模式。通过声学系统的测量，研究人员实验观测到了线性无能隙色散、强烈局域在涡旋弦核心的模场分布以及沿涡旋弦传播的手性能量流。这项研究成果不仅首次实验观测到了涡旋弦手性模式，而且为未来信息技术构建高鲁棒性光学和声学纤维波导提供了新的可能性。
图1 基于杨单极子超材料的涡旋弦手性模式。(a) 五维空间中杨单极子示意图，每个杨单极子在三维子空间（k1, k2, k3）中包含一对第一陈数相反的Weyl单极子。(b)涡旋弦示意图。(c)涡旋弦手性模式的线性色散关系。(d)杨单极子超材料在五维动量空间中能带图。
图2 非均匀杨单极子超材料中涡旋弦手性模式的实验观测。(a)支持涡旋弦超材料样品侧视图。(b)实验样品俯视图。(c)放大的涡旋弦核心附近结构俯视图。(d)复标量场的空间分布。(e)声源分别放置在顶部和底部时，沿z方向测量的归一化声压分布。(f)数值模拟的涡旋弦手性模式的色散图。(g)和(h)实验测量涡旋弦手性模式的色散图。
图3 涡旋弦手性模式的手征特征。(a) C2 = −1和(b) 1对应的涡旋弦手性模式的场分布。(c) (d)第三层沿正z方向测量的 C2 = −1对应的涡旋弦手性模式的场分布. (f)第十六层上沿正z方向测量的 C2 = 1对应的涡旋弦手性模式的场分布。(g)-(j) 在动量空间中的声能量强度分布。(k)实验测量 C2 = −1和 C2 = 1对应的涡旋弦手性模式的前向和后向传播的声波手性。(l)实验测量涡旋弦手性模式分量比。
该工作基于非均匀超材料构建了涡旋弦，并在实验上观测到具有无质量色散和具有手性特征的拓扑涡旋弦手性模式。本工作不仅展示了超材料是模拟天体物理学中各种宇宙拓扑现象的有效平台，还为实现拓扑光学/声学纤维波导提供了一种有效方法，在增强信号处理和通信系统的鲁棒性方面具有广泛的应用前景。
全文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-46641-w
