Nature Reviews Physics综述: 非厄米开放系统的声学共振

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导读

开放系统中的共振是自然界中一个非常普遍的现象，它往往存在于一个可以跟外界环境有相互作用和能量交换的开放非厄米系统。共振的一个显著特点是当驱动频率靠近共振频率的时候振幅会得到增强。声学共振作为诸多共振中的一种，在声波的传播和声波与物质的相互作用方面起到了关键的作用。

近二十年来，随着声子晶体、声学超材料和声学超表面的兴起，人们调控声波传播的能力得到了显著的提升。声学超材料和超表面是由一系列的亚波长结构以特定的周期性的形式排列组成。它们的物理特性很大程度上取决于结构的局域共振特性。一方面，周期结构提供的声学共振可以用来调控有效的体模量和质量密度，比如同时实现负体模量和质量密度。另一方面，声学共振能够显著地增强声场，从而增强声波-物质相互作用。作为一种特殊的声学共振，声学连续域中的束缚态具有无穷大的品质(Q)因子，因此它们可以实现极致的声场局域。声学共振有多种动态调控的方式，比如通过电场，光场和应力场来实现动态主动调控。另一种调控声学共振的方式是通过在耦合谐振子体系引入等量的增益和损耗实现宇称-时间对称(Parity-time symmetry)和奇异点(Exceptional points)。此外，声学共振和超结构也具有一些新颖的拓扑特性。近二十年来声学超材料和超表面的系列研究进展表明声学共振在声场调控领域起到了非常重要的作用。本文系统性地总结了声学共振的发展历程及其相关的物理机理和应用，回顾了近些年声学连续域中的束缚态，动态调控声学超材料和非厄米声学和声子学的进展，并对这一领域未来发展方向和潜在应用前景以及挑战进行了展望。

图1.非厄米开放系统中的声学共振

声学共振的分类

开放系统可以跟外界环境相互作用和交换能量，因此它具有非厄米哈密顿量。这直接导致开放系统支持一系列的声学共振泄露模式。这些声学共振模式可以通过复数本振频率来表示，即其中w₀和分别对应的是本征模式的共振频率和辐射损耗。模式的Q因子可以通过获得。根据形成机理，典型的声学共振可以分为亥姆霍兹共振、米氏共振、薄膜共振、导模共振，如图2所示。

图2.声学共振的分类

声学共振的应用

图3.声学共振的应用

声学连续域中的束缚态

声学连续域中的束缚态(BICs)是存在于连续背景谱中的理想局域态。从物理本质上来说，它是品质因子等于无穷大的声学共振。它所对应的复数本征频率根据其形成的物理机理，声学BICs可以分为五类：对称性保护BICs、偶然性BICs、Friedrich-Wintgen BICs、法布里-珀罗(FP)BICs和镜像诱导BICs。这些BICs均可以在耦合波导-谐振子体系中发现，它们背后的物理机理可以用有效非厄米哈密顿方法来解释。

图4.声学连续域中的束缚态的分类

声学BICs的应用

图5. 声学BICs的相关应用

可调声学超材料

相较于被动材料在实现非厄米声学共振及声波调制方面取得的诸多进展，主动材料在可调性、可重构性上也有着独特优势。在过去十年，利用主动材料的非线性、时域调制、能量增益等特性，研究者实现了一系列新奇的现象，包括非互易声散射、打破传统带宽限制的传感及通信等。同时，尽管主动材料的性能是很多实际应用急需的，如何实现稳定、精确的控制也是这方面研究的重点和难点。

图6.主动可调的声学超材料

非厄米声学和声子学

受量子力学等领域的启发，非厄米声学和声子学也是近年的一个研究热点。其中，很多反常的散射、声传输现象都和宇称-时间对称系统(parity-time symmetry)及奇异点(exceptional point)有关。非厄米声学共振在这方面提供了一个独特的构建这类系统的平台。得益于理论和实验上的诸多进展，最近几年高阶奇异点、声学超表面、拓扑声学等领域也得到了长足发展。同时，构建独特的哈密顿量以及如何利用共振中的损耗也是这类研究的重点。

图7.非厄米拓扑声学和声子学