撰稿|由课题组供稿
近日，同济大学物理科学与工程学声学研究所祝捷团队与新加坡南洋理工大学、香港理工大学和香港科技大学的合作者提出利用复频域激发的方式，在无源被动的声学系统中观测到非厄米趋肤效应对应的衰减和放大模态。该工作以“Transient Non-Hermitian Skin Effect”为题在线发表于期刊Nature Communications。同济大学物理科学与工程学院助理教授顾仲明博士为论文第一作者，祝捷教授、新加坡南洋理工大学薛昊冉博士以及香港理工大学郜贺博士为论文的共同通讯作者。香港科技大学李赞恒教授和香港理工大学苏众庆教授也对论文工作做出重要贡献。该工作获得了中央高校基本科研业务费和香港研究资助局卓越领域计划(AoE)项目的支持。
非厄米系统主要指的是非厄米哈密顿量描述下的非保守系统。通过引入增益和损耗，非厄米系统能够呈现许多反常的波动现象。然而，增益调制往往很难构造，为观测物理图像带来了一定的困难。也因此，通常认为在被动系统中仅能激发衰减的模态，而观测不到放大的模态。该工作则打破这一约束，引入复频率激发的手段，通过声波和真实的损耗相互作用来产生暂态的“虚拟增益”和损耗的效果。并在被动声学系统中完整地观测了非厄米趋肤效应导致的奇异现象。该方案也有希望用于研究更加复杂的非厄米物理模型，并被推广到其他波动体系。
本工作的研究者们尝试利用复频域激发的方式（图1）研究非厄米趋肤效应，探讨非厄米体系下的动态响应，以便呈现更丰富的物理现象。Hatano-Nelson模型是研究非厄米趋肤效应的最小模型，需要引入非互易的耦合实现。通过引入增益及损耗可实现非互易传输，从而获得趋肤效应中的放大和衰减模态。然而自然界中，材料的声学属性本身不具有增益特性，而纯损耗体系通常被认为仅具有衰减模态。如何仅利用声学损耗实现具有放大模态的趋肤效应具有重要的物理及应用价值。团队通过研究发现，在纯损耗体系，通过巧妙设计激发方式，可同时激发出趋肤效应的放大和衰减模态。首先通过施加一个全局的损耗偏置，将系统的本征频率调整为虚部都是负数，对应于一个完全损耗的系统。该理论模型在开放边界条件和周期性边界条件下的本征频率和本征模态分布从理论上证明了趋肤效应的存在（图2）。在此基础上，精心设计了声学环形耦合腔系统，并在耦合环中施加不同的损耗调制等效地引入非对称的耦合。通过控制复频率激发的调制幅度和施加的损耗调制进行比较，产生虚拟的增益和损耗的效果。进而可以对某一特定模态（正旋或反旋），从结构两边分别激发，严格观测到声学趋肤效应（图3）。在实验中（图4），我们观测了该现象从建立到稳定的完整时间演化过程。t=8.5ms时，可看出暂态的非厄米趋肤效应已经建立，并保持到t=9.5ms时刻。
图1 虚拟增益效果的示意图。（a）复数的激发频率和折射率下的增益和衰减效应。（b）沿传播方向的衰减传播、恒常传播和放大传播。
图2 理论模型。（a）引入全局损耗的Hatano-Nelson模型。（b）该模型在开放边界和周期边界条件下的本征频率谱。（c）30个单元周期下的本征模态分布。（d）模型在稳态激发和复频域激发下的时间演化过程。
图3 样品设计。（a）构造的声学环形腔模型。（b）表征环形腔之间耦合强度的透射谱。（c）传递矩阵法得到的模型在开放边界和周期边界下的本征频率谱。（d）虚拟增益效果的时域响应。（e）对应的损耗效果的时域响应。（f）非厄米趋肤效应引起的非局域激发效果。
图4 实验表征。（a）实验样品。（b）激励信号。（c）经过一个周期结构的放大信号。（d）经过一个周期结构的衰减信号。（e-g）复频率激发下不同时刻的声场能量分布。（h-j）作为对比，单纯虚拟增益效果下不同时刻的声场能量分布。
该工作展示了激发方式对研究非厄米系统的重要性。在无需引入有源器件或外部能量的情况下，可以在被动的系统中完整地观测到非厄米性引起的丰富物理图景，为进一步实验观测复杂的非厄米物理现象带来了可能。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-35448-2
同济大学新闻网链接：
https://news.tongji.edu.cn/info/1002/82903.htm
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