哈尔滨工业大学姜永远团队利用量子技术助力声学超构材料设计

撰稿|由课题组供稿

近日，哈尔滨工业大学姜永远教授研究团队在利用量子技术（包括非绝热和乐量子变换，反向部分受激拉曼绝热过程，绝热捷径）助力声学超构材料设计方向取得一系列进展，成果分别发表在Science China: Physics, Mechanics and Astronomy、Physical Review B以及Physical Review Applied等权威物理学期刊。课题主要参与者包括哈尔滨工业大学（威海）光电系教师吴金雷，哈尔滨工业大学物理学院宋杰教授，在读博士研究生唐帅和吕成。

作为一种人工功能结构，超构材料的研究和发展使得光/声波的任意调控成为可能。对于声波而言，利用声子晶体的能带特性或声学超表面的相位梯度设计可以实现丰富的波前整形。不同于传统声学超构材料的设计范式，量子技术在声学系统中的引入会带来全新的波前调控机制，并为多种功能声学器件的设计提供新方式。

本课题利用量子力学薛定谔方程与经典波动方程在形式上的一致性，设计了遵循三能级量子系统中布居转移过程的声学三波导耦合器。

首先，利用非绝热和乐量子变换技术在声学系统中实现了对Hadamard变换和NOT门的类比，从而在三波导声学耦合器中实现了高效的声波能量分束和声波能量交换。还利用对分束耦合器的编码阵列设计了具有单向传输特性的声学超构材料。平面声波从一侧入射可以产生大角度的声波分束，而从另一侧入射会发生全反射。通过样品的加工和测试，所述结果得到了实验验证 [1]。

然后，利用反向部分受激拉曼绝热过程在声学系统中的类比，实现了具有入射相位依赖特性的三波导声学耦合器，并结合具有入射波长选择特性的相位转换器构建了双功能声学超构材料，在两个独立的工作频率下，完成了对分裂声束和聚焦声束的解耦调控[2]。

不仅如此，还将绝热捷径技术应用至声学系统中，提出了一种紧凑型声学波导耦合器的设计方式。通过与传统受激拉曼绝热过程所设计的声学波导耦合器对比，验证了该方法可以极大缩短器件长度而不影响能量输运效率。与此同时，得益于绝热捷径技术良好的鲁棒特性，利用Hadamard变换实现了具有宽带响应的单向声学分束超构材料 [3]。

上述研究工作既为非绝热和乐量子变换、反向部分受激拉曼绝热过程以及绝热捷径等量子技术的研究成果提供了重要补充，又为功能性声学超构材料的设计带来了新思路，在经典波束整形和量子技术之间构架了一条互通的桥梁。

论文信息：

1. 1.     JinLei Wu^§, Shuai Tang^§, Yan Wang, XiaoSai Wang, JinXuan Han, Cheng Lü, Jie Song^*, Shilei Su^*, Yan Xia, and Yongyuan Jiang^*. Unidirectional acoustic metamaterials based on nonadiabatic holonomic quantum transformations. Science China Physics, Mechanics & Astronomy, 65, 220311 (2022).

2. 2.     Shuai Tang, Jin-Lei Wu^*, Cheng Lü, Xiaosai Wang, Jie Song, and Yongyuan Jiang^*. Acoustic wavelength-selected metamaterials designed by reversed fractional stimulated Raman adiabatic passage. Physical Review B, 105, 104107 (2022).

3. 3.     Shuai Tang, Jin-Lei Wu^*, Cheng Lü, Jie Song, and Yongyuan Jiang^*. Functional acoustic metamaterial using shortcut to adiabatic passage in acoustic waveguide couplers. Physical Review Applied, 18 014038 (2022).