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并获得与自然材料声学特性迥然不同的声学超构介质,李勇研究员是论文第一作者

我校近代声学重点实验室刘晓峻教授课题组在声学人工超构介质对声场的调控方面取得重要进展,相关研究成果以《基于人工Mie共振的超稀疏声学超表面及低频声波强反射》(Ultra-sparse
metasurface for high reflectionof low-frequency sound based on
artificialMie
resonances)为题于2015年9月1日在线发表在国际权威学术杂志《自然·材料》(Nature
Materials,,
DOI:10.1038/nmat4393)上。程营副教授为论文的第一作者,刘晓峻教授为论文的通讯作者。

我校物理学院声学研究所刘晓峻教授课题组在拓扑声子晶体研究方面取得进展,他们在声子晶体中发现声学旋转多极子模式,并且成功构造无流体背景场中的声拓扑绝缘体,相关研究成果以《Topological
creation of acoustic pseudospin multipoles in a flow-free
symmetry-broken metamaterial lattice》 为题于2017年2月23日发表于Physical
Review Letters[Z. W. Zhang et.al, Phys. Rev. Lett. 118, 084303
]。论文第一作者为2015级硕士研究生张志旺,程营副教授为论文的共同通讯作者。

当声波在亚波长尺寸管道中传播时,由于管中存在速度梯度,媒质质点间的粘滞摩擦以及热传导效应会带来声能量的损耗。声能量损耗在实际声学器件中一直存在,有时甚至会严重破坏器件所预想的功效。在前期声人工结构的设计中通常采用较宽的管道等方式来尽量降低结构中的粘滞因子,达到较小甚至可被忽略的能量损耗。我校物理科学与工程学院、上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室李勇研究员,通过与北卡罗来纳州立大学景云教授和杜克大学Steven
A.
Cummer教授等课题组的国际学术合作,经过深入的理论探索和实验研究,在损耗型声学超构表面研究取得突破性进展,提出并实现了声能量非对称传输效应的新方法和新器件。
李勇研究员领导国家,通过引入合适粘滞的逆向设计思路,提出了损耗型声学超构表面的概念,利用3D打印技术制备了损耗型声学超构表面样品,在实验中实现了声能量的非对称传输效应,这种现象源于全新的物理机制:
超表面中的相位调制和周期调制两种机理对损耗因子的不同反馈:当声波做左侧入射时,入射能量可自由通过超表面结构,实现声学导通态,如图1右侧中显示,透射区存在数值较大的声压和声能
分布;当声波从右侧入射到超表面,合理的损耗机制会完全耗散入射能量,形成声学截止态,如图1左侧所示,透射能量可忽略。与之前的相关系统通需要两个不同功能器件相结合的复杂结构对比,基于损耗机理的超构表面具有结构简单、亚波长厚度、平面特性、以及可通过旋转样品调控透射性质等优势。调控损耗可为声学超构材料和超构表面的设计提供了全新的自由度,有望设计实现一系列新的声学现象和声波调控方式。

以小尺寸结构有效调控大波长低频声波是声学研究中的难题。近年来,超构介质的概念被引入至声学研究中,人们发现通过构造具有特殊功能的人工单元来模拟分子对声场的响应,可以在亚波长尺度层次上形成对声波的有序调制,并获得与自然材料声学特性迥然不同的声学超构介质,具有巨大的应用前景。目前,声学超构介质的设计大多基于LC共振单元,存在损耗高、结构复杂、特异性质有限等不足。近期的理论研究发现,通过将声学“软”质微共振单元嵌入到“硬”质基体材料中可以获得声学Mie单极子和偶极子,进而构造出高性能新型声学超构介质。然而该设想的实验实现受到软微粒在致密流体介质中有效寿命短、形态稳定性差、难以规则排列等限制。特别是自然界中尚不存在声速较空气低很多的稳定流体,影响了Mie共振单元在空气中声传播的应用。

电子的自旋-轨道耦合带来了许多引人入胜的现象和重要的应用,包括拓扑绝缘体和自旋电子学。量子霍尔效应以及量子自旋霍尔效应都依赖于电子的自旋属性,然而对于声波而言,其纵波振动的本质导致不存在天然的自旋属性,因而实现声学拓扑态有一定的困难。研究者开始探索在传统的经典波系统,如声学系统中,是否会出现与自旋-轨道耦合类似的类量子效应,如果存在这种效应,又会带来怎样的启发。最近,有科学家提出利用背景流速场实现声类似量子霍尔效应,或构造耦合环形波导结构实现声类似量子自旋霍尔效应的理论方法以及实验验证,但是由于复杂的构造要求以及数倍波长的晶格尺寸要求,使得这些方法在设计和实际应用上有很大难度。

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刘晓峻教授课题组提出了利用高对称性折叠空间结构中低有效声速效应来构建具备超慢声速的流体微单元,并通过3D立体成型技术制作了高质量的人工Mie共振单元,系统地开展了不同温度、气压条件下Mie共振模式激发、等效参数反演和声场调控性能测试等工作。研究结果表明,该单元可有效激发强烈的声学Mie共振,并且展现出丰富的单极子、偶极子、四极子、八极子等一系列经典的Mie共振模式。进一步的研究结果表明,单极子Mie共振可以产生负的有效体模量,而偶极子Mie共振则会实现负的有效动态质量密度。利用该单负材料特性,课题组构建了一种亚波长厚度、大单元间隔的超稀疏超表面,成功获得了低频声波的强反射效果,为突破传统声学理论中低频隔声需要大厚度、无间隔、高密度固体层的限制提供了一种新方法。

根据经典声学理论,传统的声学多极子模式(例如偶极子以及四极子),声波能量向固定方位向外辐射,无法形成类似自旋的旋转声场。刘晓峻教授课题组提出了在无流速背景的超材料声子晶体中构造声学赝自旋偶极子和四极子模式,并实现可调控声波拓扑传输的普遍性理论方法。首先,对蜂窝状晶格声子晶体的初基原胞旋转30度并放大,使得蜂窝状晶格变为由六个单元组成的超元胞组成的三角晶格,通过能带折叠理论形成双狄拉克锥。然后,在保持所有单元不变的情况下仅依靠收缩或者扩大超元胞内各单元的间距,可以打破双狄拉克锥形成带隙。研究发现,在带隙附近的声压场分布呈现出类似于电子p/d轨道的对称形式,而平均声强沿顺时针或逆时针转动,即产生了区别于传统声学多极子模态的有效声学赝自旋偶极子和四极子。研究进一步发现,收缩超元胞内单元时晶体能带呈现平庸态,即赝自旋偶极子模式频率位于赝自旋四极子模式之下,与传统声学理论一致;而扩大超元胞内单元间距时赝自旋偶极子模式频率跃居赝自旋四极子模式之上,为非平庸态(nontrivial),从平庸态到非平庸态表明发生了能带反转。在平庸态晶体和非平庸态声子晶体之间的边界上可以形成声赝自旋与传输轨道相耦合的声拓扑边界态,不同赝自旋态之间的边界态传输没有干扰,并且通过调节超元胞内单元的间距可以实现可调控的、任意形状的拓扑边界。同时,这种拓扑边界态拥有背向散射抑制能力以及很好的鲁棒性,拓扑边界上的空腔、无序排列以及弯曲等缺陷不仅不会引起背向散射,而且不会改变边界声传输的自旋态。这种产生声学赝自旋多极子模式的普遍性方法还可以进一步推广到气-液、固-液、固-气等多种基本的声学体系中。

图1 损耗型声学超构表面的声能量非对称传输效应

图1:单元可产生空气声学Mie共振模式的场分布。a-e,人工单极子、偶极子、四极子、八极子和第二单极子模式。第一/二行所示为声压/相位场分布,第三行箭头所示为等效物理模型中的位移分布,第四行所示的远场模式与场分布一致。

该项工作得到国家重大科学研究计划(2012CB921504)、人工微结构科学与技术协同创新中心、团队自然科学基金和江苏省杰出青年基金的支持。

最新研究成果”Tunable Asymmetric Transmission via Lossy Acoustic
Metasurfaces”于2017年7月18日发表在物理学科国际顶级期刊Physical Review
Letters [Phys. Rev. Lett. 119, 035501
(2017)]。李勇研究员是论文第一作者,同济大学是论文的第一单位,杜克大学沈宸博士是论文的共同第一作者。该项工作得到同济大学“青年百人计划”科研启动项目的支持。

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图1:变换前后元胞的第一布里渊区。布里渊区折叠过程。能带折叠过程。超元胞组成的三角晶格色散图上形成双狄拉克锥。

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图2:通过收缩和扩大超元胞内单元间距打破双狄拉克锥形成带隙。p/d轨道反转,即能带发生反转。赝自旋向上、赝自旋向下对应的声强分布。

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图3:拓扑边界赝自旋向下态沿边界顺时针传输。在乱序、弯曲以及空腔干扰下声波的拓扑边界传输具有很好的鲁棒性。

(物理学院 科学技术处)

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