梁彬、程建春课题组与现代工学院陆延青课题组实现高性能声学非互易传输

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我校物理学院声学研究所、近代声学教育部重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心梁彬教授、程建春教授课题组及现代工学院陆延青教授课题组与合作者在声学非互易操控研究方面取得重要进展，提出了实现声学合成磁场的新机制，设计并实验构建了具有动态耦合特性的声学共振体系，首次实现了具有高隔离度、高正向传输率、高保真度以及功率无依赖等优异特性的声波单向传输。
          对于带电粒子而言，外加磁场能够有效打破系统的时间反演对称性（Time reversal symmetry），并实现量子霍尔效应（Quantum Hall effect）、阿哈罗诺夫—玻姆效应（Aharonov-Bohm effect）等非互易传输现象。但经典波系统中的声子和光子均属于电中性粒子，无法直接与磁场发生相互作用。为了实现对经典波的非互易操控，人们提出了合成磁场（Synthetic magnetism）的概念，即通过设计含时调制相位来打破时间反演对称性，并实现声波或电磁波的单向传输。在过去十几年中，通过电光调制、声光耦合等手段，光波的合成磁场及非互易的光波操控得以实现。然而，由于声学体系与光学体系的本质区别及声学含时调制的难度，如何设计声波的合成磁场并有效实现声波的非互易操控仍然是一个难题。
          课题组基于前期在声学时空调制方面的研究积累[Sci. Adv. 7, eabj1198 (2021)]，将声波的含时调制从超表面系统拓展到耦合共振腔系统，提出了一种基于合成磁场的声波单向耦合器件。理论模型如图1所示，共振频率相同的A腔和C腔之间由具有互易相位φstatic的静态耦合κAC直接相连，并经过具有共振频率差Ω的B腔由两个动态耦合κAB(t)和κBC(t)间接相连。在特定条件下，两个动态耦合的初始相位φ1和φ2构成合成磁场，打破系统互易性，并与静态耦合进行干涉，最终实现能量的单向传输（如蓝色和红色箭头所示）。

图1 基于合成磁场的单向耦合腔模型。

         为了实验验证该理论设计，基于双向反馈电路构造了声学腔之间的等效耦合。通过设计耦合电路的连接方式（同相或反相连接），等效耦合可以在正值和负值之间切换，并改变A和B腔之间的声波相位差。
         进一步，我们给等效耦合引入含时调制，并验证该时变耦合在频率失谐腔之间的声波频率转化特性。通过在耦合电路中引入双刀双掷开关并设置其时变频率为A、B两腔的频率差Ω，A腔在共振频率附近的声波（ω = ωA）能够有效耦合到B腔并变频为ωB。
         当三腔系统中的静态耦合和动态耦合同时打开时，运用旋转波近似（Rotating wave approximation）的方法，理论推导了A、C两腔之间正向（A到C）和反向（C到A）的传播系数表达式，并给出了实现非互易耦合的参数要求。作为实验验证，设动态耦合相位差Δφ = π/2，静态耦合强度为kAC/2π = 3Hz，动态耦合强度为Δk/2π = 7.5Hz，分别从正向和反向对系统进行激发。如图4(c-f)所示，通过静态耦合和动态耦合的干涉叠加，我们在ω = ωA附近实现了45dB的高隔离度和0.85的高正向透射率。
本工作提出了在声学耦合腔系统中实现时变耦合的新机制，通过设计声学合成磁场，首次实现了具有隔离度大、正向传输率高、始末态频率不变和隔离方向可电控等重要特性的单向声传输。这项研究突破了现有声波单向操控机制在效率、隔离度及保真度等方面的局限，并为实现弗洛奎和非线性声学拓扑绝缘体提供了新途径。
研究成果以"Sound non-reciprocity with synthetic magnetism" 为题发表在《Science Bulletin》上。南京大学博士后陈召宪为文章第一作者，南京大学梁彬教授、陆延青教授、程建春教授和纽约城市大学Andrea Alù教授为共同通讯作者。该项工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、南京大学登峰人才计划、江苏高校优势学科建设工程项目和中国博士后科研基金等项目支持。
       全文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.08.013
       文章来源：南京大学
        陆延青教授现任南京大学现代工程与应用科学学院执行院长、教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、“万人计划”科技创新领军人才、美国光学学会会士（OSA Fellow）、中国光学学会会士（COS Fellow）、南京微结构国家实验室（筹）PI。主要研究方向为液晶光学、非线性光学、光纤器件，先后主持过国家重点研发计划项目、863计划项目、973计划课题、基金重点项目等科研任务，迄今申请及授权中外专利50余项，部分已转让，在Science, PRL, AM, LSR, Optica, APL, OL/OE等刊物上发表论文200余篇。目前，陆延青教授还担任中国物理学会液晶分会副主任、中国光学学会理事、若干期刊编委等学术职务。