近日，理學院應用物理系伏洋洋副研究員和劉友文教授與美國杜克大學的S. A. Cummer教授以及蘇州大學的徐亞東教授合作，在聲學軌道角動量研究方面取得重要進展，提出利用相位漸變超構光栅實現操控聲學軌道角動量的新機制:聲渦旋衍射機制。研究團隊設計并實驗上驗證了一種不對稱聲渦旋傳輸器件，該器件在基于聲學軌道角動量通信方面具有極大的應用價值。相關成果以 “Sound vortex diffraction via topological charge in phase gradient metagratings”為題發表在Science子刊《Science Advances》雜志上。伏洋洋副研究員為論文的共同通訊作者和第一作者，杜克大學的Cummer教授和蘇州大學的徐亞東教授為論文的共同通訊作者。

研究背景與創新

軌道角動量（OAM）在粒子操控、信息通信等方面具有巨大的發展潛力和應用價值。近年來，聲學軌道角動量相關研究為聲波操控提供了新的自由度，“相位扭曲”技術更是為聲學軌道角動量的産生和操控注入了活力，但具有控制能力單一的問題。因此，新的聲學軌道角動量操控機制亟需發展，用以擴展當前基于軌道角動量器件的功能和應用。伏洋洋副研究員基于其最近二維平面超構光栅的研究成果[Nat. Commun. 10, 2326 (2019))],将超構光栅的衍射效應拓展到三維圓柱波導中，用以操控聲學軌道角動量。不同于之前聲學軌道角動量的研究，該工作将漸變的人工結構看作衍射光栅，創新地提出“廣義拓撲核守恒原則”，

     （1）

用于研究聲渦旋衍射問題。研究發現，當入射渦旋的拓撲核小于“臨界拓撲核”，入射渦旋将被直接“相位扭曲”（twisting phase）為新的透射渦旋，

       （2）

而當入射拓撲核大于“臨界拓撲核”，将遵循聲渦旋衍射方程，

（3）

其中L=m+n（L為多重反射次數，m為超構光栅的結構單元數目）。

整個波導系統的聲渦旋傳輸現象可以由公式（2）和公式（3）所決定。通過合理設計波導截止模式和超構光栅的人工拓撲核（），除了“相位扭曲”方法之外，渦旋傳輸還可以通過其他的通道（衍射級次）來實現。特别是，對應某個衍射級次n，可以通過改變結構單元數目（m）控制L的奇偶性，對該通道的反射和透射加以控制，從而設計一些功能性的聲學軌道角動量器件。本工作基于渦旋衍射機理，設計并實現了一種不對稱的聲渦旋傳輸器件，同時也在理論上實現了單向的聲學軌道角動量通信功能。

圖：不對稱聲渦旋傳輸的實驗驗證；（A）制備的超構光栅；（B）實驗裝置圖;拓撲核為的聲渦旋從左側（C）和右側（D）入射數值模拟和實驗測量的透射相位和振幅；

（文章鍊接：https://advances.sciencemag.org/content/6/40/eaba9876）