南开大学在打破声涡旋传输的镜面对称研究中取得进展

声学在国家重大需求和经济发展等诸多方面都发挥着重要作用，诸如信号传输、无损探测、全息成像、粒子操控等。携带轨道角动量(OAM)的声涡旋场能够提供正交的模式，拥有无限维度的希尔伯特空间，在多通道、高度集成的声信息传输中，具有传输实时、数据可编码、损耗低、传输精度高等优点，为提高声通信容量提供了新途径。利用高空间利用率的超表面设计来实现声涡旋的不对称传输，将为方向依赖的OAM应用带来极大的便利，具有推进相关领域发展的巨大潜力。

近日，南开大学陈树琪教授和程化教授团队在打破声涡旋传输的镜面对称研究中取得重要进展，基于声学超声栅结构的OAM衍射机理，提出了透射相位调控的新机制，首次利用单个超表面在互易声学系统中打破了声涡旋透射的镜面对称。该研究成果以“Mirror symmetry broken of sound vortex transmission in a single passive metasurface via phase coupling”为题发表在《Physical Review Letters》（物理评论快报）上。

打破声涡旋传输的镜面对称示意图

与需要有源器件或外部干预的非互易调制相比，采用无源和简单结构的互易调制为紧凑型声学系统提供了更大的灵活性和适用性。然而，受到互易性的限制，单个超表面对于正入射与背入射的声波提供的透射相位是固定的，因此透射声涡旋所附加的相位扭转具有镜面对称的特性。具体来说，镜面对称的声涡旋分别从两端经过单个超表面产生的透射涡旋同样具有镜面对称性。因此，对于空气声波这一标量波来说，在互易系统中，利用单个无源的超表面打破声涡旋传输的镜面对称是一个挑战，具有较高的理论研究价值与实际的应用前景。本工作设计出能够同时调控声波透射与反射的超声栅，基于声涡旋衍射定律，首次提出了声波的透射相位与反射相位的耦合机制。利用波导模式限制，入射声涡旋在超表面内部多次内反射，透射相位与不对称的反射相位耦合，从而实现对于透射声波的不对称相位控制。本工作根据所提出的相位耦合机制，在声波导中打破了声涡旋传输的镜面对称，为互易声学系统实现涡旋不对称信号传输提供新的思路。

南开大学博士生唐钰淦为第一作者，陈树琪教授和程化教授为共同通讯作者，南开大学物理科学学院和材料科学与工程学院为论文完成单位。该工作得到了国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金委优秀青年科学基金、国家自然科学基金重大项目等资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.177001