近日，我校理学院应用物理系伏洋洋副研究员和刘友文教授与美国杜克大学的S. A.Cummer教授以及苏州大学的徐亚东教授合作，在声学轨道角动量研究方面取得重要进展，提出利用相位渐变超构光栅实现操控声学轨道角动量的新机制:声涡旋衍射机制。研究团队设计并实验上验证了一种不对称声涡旋传输器件，该器件在基于声学轨道角动量通信方面具有极大的应用价值。相关成果以“Sound vortex diffraction via topological charge in phasegradient metagratings”为题发表在Science子刊《Science Advances》杂志上。伏洋洋副研究员为论文的共同通讯作者和第一作者，杜克大学的Cummer教授和苏州大学的徐亚东教授为论文的共同通讯作者。


研究背景与创新

轨道角动量（OAM）在粒子操控、信息通信等方面具有巨大的发展潜力和应用价值。近年来，声学轨道角动量相关研究为声波操控提供了新的自由度，“相位扭曲”技术更是为声学轨道角动量的产生和操控注入了活力，但具有控制能力单一的问题。因此，新的声学轨道角动量操控机制亟需发展，用以扩展当前基于轨道角动量器件的功能和应用。伏洋洋副研究员基于其最近二维平面超构光栅的研究成果[Nat. Commun. 10, 2326 (2019))],将超构光栅的衍射效应拓展到三维圆柱波导中，用以操控声学轨道角动量。不同于之前声学轨道角动量的研究，该工作将渐变的人工结构看作衍射光栅，创新地提出“广义拓扑核守恒原则”用于研究声涡旋衍射问题。研究发现，当入射涡旋的拓扑核小于“临界拓扑核”，入射涡旋将被直接“相位扭曲”（twisting phase）为新的透射涡旋，而当入射拓扑核大于“临界拓扑核”，将遵循声涡旋衍射方程。基于声涡旋衍射机理，设计并实现了一种不对称的声涡旋传输器件，同时也在理论上实现了单向的声学轨道角动量通信功能。

本工作所提出的声涡旋衍射机制不仅为操控声学轨道角动量提供了新的方法，同时也从物理角度对基于相位渐变的超构光栅在2D自由空间和3D圆柱波导的基础衍射行为提供了更深层次的理解。该声涡旋衍射机制为操控声学轨道角动量提供了新的研究平台，可以实现对声涡旋传输多样化的操控，有望实现更多基于声学轨道角动量的器件与应用。


图：不对称声涡旋传输的实验验证；（A）制备的超构光栅；（B）实验装置图;拓扑核为l = –1的声涡旋从左侧（C）和右侧（D）入射数值模拟和实验测量的透射相位和振幅；
（文章链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/40/eaba9876）