近日，bv伟德官方网站信息光子學團隊在超分辨聲學位移計量方面取得了突破性進展。團隊通過構建共轭拓撲對的創新概念，揭示了模式空間馬呂斯定律的物理機制，并基于螺旋測微原理提出了一種超高精度的位移計量新範式，并成功利用工作波長為100mm的低頻聲波實現了1.2μm的位移超分辨（λ/10⁵）。相關成果以“Super-resolution acoustic displacement metrology through topological pairs in orbital meta-atoms”為題在線發表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。伏洋洋教授、劉友文教授以及蘇州大學的徐亞東教授為該工作的共同通訊作者，陳昌東副教授、博士生李潇為共同第一作者，薛明講師、施瑤瑤副教授、董大興副教授、已畢業碩士李衛冕對該工作亦做出了重要貢獻。

在現代科技領域，微小位移的精密計量是衆多研究和應用的基礎。傳統的方法主要依賴于光學技術，然而在諸如水下環境、生物組織及複雜機械零部件檢測等特定應用場景中，光學方法并非是最優選擇。相比之下，聲波因其高效的能量傳輸、極低的生物組織損耗以及卓越的穿透能力，展現出了極大的應用潛力。盡管如此，目前傳統的聲波位移計量方案, 比如超聲脈沖回波技術，在高分辨率位移計量領域的應用面臨巨大挑戰。這一局限主要歸因于聲波的低頻特性(頻率通常不超過100 MHz)，遠低于光學頻率六個數量級，從而限制了聲波的分辨能力，使之難以與光學方法相媲美。因此，實現聲學超分辨的位移計量仍然是一項基礎性難題。針對上述問題，類比于自旋電子中的庫珀對，本工作創新性地引入了軌道超構原子中拓撲對（topological pairs ：TPs）概念，并基于此提出了一種超分辨聲學位移計量的新方法，成功打破了這一限制。如圖1所示，該方法利用兩個耦合的軌道原子構建了一對共轭TPs，為聲波在軌道角動量模式空間中提供了兩條獨立的傳播路徑。這兩條路徑可以累積不同的幾何相位，從而實現穩定的聲學馬呂斯幹涉效應，可以極大提高位移測量的分辨率。如圖2所示，研究團隊進一步結合螺旋放大原理，設計了配備螺距的軌道原子，成功制備了首個聲學螺旋測微器樣機，可用于微米級位移計量（表1）。該聲學螺旋測微器在3.43 kHz的可聽頻率下，展現出了1.2微米的超高位移分辨率 (圖3)，這一數值僅為入射聲波波長（100毫米）的約十萬分之一。

圖1：共轭拓撲對的形成及其産生的聲學馬呂斯幹涉效應。（a）軌道人工原子及其在模式空間形成共轭TPs示意圖；（b）圓柱波導中入射平面波-OAM模式-出射平面波的實空間演化示意圖。（c）共轭TPs的在模式空間累積相反的幾何相位并産生幹涉示意圖。

圖2：聲學螺旋測微器樣機設計及實現。（a）日常使用的螺旋測微器;（b） 基于螺紋軌道原子的聲學螺旋測微器;（c）不同螺距聲學螺旋測微器(q＝4)的幹涉強度随着旋轉位移的變化;（d）聲學螺旋測微器(q＝4，d＝16 mm)定标函數曲線。

表1：基于軌道原子的聲學螺旋測微器與日常使用的螺旋測微器的測量結果對比。

圖3：聲學螺旋測微器的分辨率和精度。不同螺距d＝3 mm（a），d＝10 mm（b），d＝16 mm（c）聲學螺旋測微器的最佳線性區;聲學螺旋測微器（d＝3 mm）的分辨率和精度：完全能分辨（d）、恰好能分辨（e）、不能分辨（f）。

本工作基于共轭TPs概念，揭示了模式空間馬呂斯定律的物理新機制，設計并實現了一種超高精度的聲學螺旋測微器，為聲學超分辨率位移計量提供一種全新的技術方案。該方法具有設計簡單、體積小巧、成本低廉以及穩定性高等優點，便于在超聲頻率實現器件的制造和集成，使得聲學位移測量技術能夠在諸如無損檢測、精密制造和生物監測等相關超聲應用場景中發揮價值。此外，本工作提出的TPs概念不僅在聲學領域具有潛力，還可以應用于其他經典波動系統，有望為光學、冷原子系統和量子信息等領域中的計量技術發展提供重要機遇。本研究得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、中央高校基本科研業務費等項目的支持。

論文鍊接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-52593-y