無錫耳語回廊的物理原理“拓撲激光”與“拓撲激聲”
發布時間：2022-03-02 點擊次數：19026
耳機喇叭廠銘森小編分享Rayleigh爵士在研究倫敦圣保羅大教堂時發現的經典聲學現象，他發現人在拱廊一側輕聲說話時，音量經由教堂的穹頂，會清晰地傳播到另一側的墻壁，這也是該名稱的由來。“耳語回廊”的物理原理可被用于捕獲微弱的聲信號，為微弱聲信息的傳輸和探測創造了條件。另一方面，近年來，在凝聚態物理到人工光子/聲子晶體等眾多領域中，多種拓撲絕緣體所形成的拓撲態受到廣泛關注。由于這些拓撲邊界態受到拓撲保護而對結構缺點具有一定的魯棒性，使得基于拓撲系統的耳語回廊在保密通訊、傳感技術等領域中具有巨大的應用前景。目前拓撲系統研究的理論框架主要建立于厄米體系，對非厄米體系拓撲物理的研究正處于探索階段。
從物理上講，聲增益介質的缺失從根本上控制了非厄米聲拓撲結構的實現。國際上已有的一維非厄米聲學系統均基于傳統揚聲器擬構建，這架構難以支持高維拓撲結構的聲場調控。構建有效的等效聲增益介質，對非厄米拓撲聲學的研究是一項重大挑戰。研究團隊基于CNT薄膜的熱聲效應提出了一種構建等效聲學增益介質的新機制，實驗實現了受拓撲保護的非厄米耳語回廊結構，并通過調節實驗參量將初基原胞內各單元相位鎖定以調控系統的非厄米性，進而選擇性發具有不同旋轉手性的回廊共振模式，最終將增強放大后的聲波耦合輸出為高指向性聲束。
研究團隊首先研究了具有理想增益介質層的聲子晶體中的拓撲性質。在初基原胞結構中引入有限增益后，色散曲線的實部基本保持不變，虛部則與增益因子近似成線性相關。進一步，當增益介質被引入到拓撲邊界態時，可以觀察到沿界面傳播的音量被逐漸放大、增強的現象, 相比于實際凝聚態系統，非厄米人工聲子晶體系統具有可調控性強的優點，可以通過調節實驗參量將初基原胞內各單元相位定，從而有效地實現系統的非厄米相位控制為構建突破現有凝聚態物理基本現象的新聲場調控效應提供了基礎。
實驗樣品組裝和非厄米相位控制,在本工作中，研究團隊構建了受拓撲保護的耳語回廊結構，發現當初基原胞內相位延遲鎖定為0時，系統僅產生無旋回廊共振模式；而當相位延遲鎖定為2π時，系統轉而產生分離的順時針、逆時針兩種回廊共振模式。
基于上述回廊模式劈裂現象，研究團隊進一步引入兩個耦合輸出端口實現了類似“拓撲激光”的“拓撲激聲”，當相位延遲鎖定2π時，觀測到順時針和逆時針旋轉模式分別在兩個端口耦合輸出為顯著增強、放大的高指向性定向輻射聲束。
拓撲耳語回廊模式的耦合輸出，該工作將非厄米物理學和類拓撲絕緣體這兩個當前重要的前沿領域，開辟了等效聲學增益介質的新途徑，為基于經典聲波體系研究非厄米拓撲物理中的新奇現象提供了新方向，相關技術方案也可推廣到MEMS聲表面波體系.厄米拓撲聲學的發展和應用，在聲學和材料科學應用廣泛。
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