近日，安徽理工大學力學與光電物理學院吳宏偉副教授課題組在聲學超構材料與聲場調控領域取得重要進展，相關學術成果在Nature Index期刊APL連續發表3篇研究論文。
該課題組通過設計一種具有阿基米德螺旋線形狀的聲學超結構成功構造出聲學斯格明子模式，這種聲學斯格明子模式具有缺陷免疫的拓撲保護性質，并通過結構的梯度設計實現聲學斯格明子模式的分布調控。另外，該課題組也設計了等效折射率呈拋物線分布的波導陣列打破了聲波傳播的瑞利衍射極限，實現聲波的深度亞波長聚焦與成像。這些研究成果有助于推動對聲波信號傳輸與存儲以及聲波成像等相關方面的應用。相關研究成果分別以“Observation of localized acoustic skyrmions”、“Localized manipulation of spoof surface acoustic skyrmions with deep-subwavelength gradient structures”、“Subwavelength focusing and steering of spoof acoustic surface waves with aperiodic waveguide arrays”為題在物理學權威期刊Applied Physics Letters上連續發表。
聲波作為經典波之一，在人們的日常生活和生產中起到了非常重要的作用，借助于聲學人工微結構和超構材料設計，構造特殊的空間聲場分布可以實現對聲波的傳輸操控，不僅可以改善人們的聽覺感知和新奇體驗，也可以推動聲波在生物醫學、傳感檢測以及信息傳輸與存儲方面的應用。
斯格明子（Skyrmion）是一種局域在二維平面的三維拓撲矢量場，這種受拓撲保護的準粒子已經在基本粒子、玻色愛因斯坦凝聚態、磁性材料以及光學系統被發現。斯格明子的各種衍生物種類繁多，其中包括：初級斯格明子、嵌套斯格明子、反型斯格明子、半子等等。斯格明子模式的矢量場特殊分布使其有望成為具有高速度、高密度的高效信息載體，對下一代信息處理、存儲以及傳輸技術革新具有重大意義。與基本粒子、凝聚態、磁性材料和光學等物理系統的粒子自旋和矢量場相比，聲波一直以來被認為是標量波而不具備矢量特性。近幾年，人們通過聲學結構表面波和多聲束干涉實驗揭開了聲波速度場的矢量特性，為統一不同類型的經典波提供了新的理解。
基于對聲波的矢量特性的理解，安徽理工大學吳宏偉課題組率先開展了聲學斯格明子模式的研究，通過設計具有阿基米德螺旋線型的深度亞波長聲學超結構，他們從理論和實驗上觀察到了奈爾（Néel）型的聲學速度場矢量分布（如圖1所示），實現對聲波信號的數據存儲。研究發現這種螺旋結構不僅可以支持多頻率的斯格明子模式，而且具有易激發和樣品制作簡單等優點。有望成為超緊縮、高密度、低能耗的聲波信號存儲載體。相關工作發表在Applied Physics Letters122, 022201 (2023)上。
圖1實驗樣品與斯格明子模式的觀測
為了進一步操控斯格明子模式的矢量場分布，該課題組在前面工作的基礎上，提出一種梯度超結構方案，通過結構溝槽深度的調控實現了Néel型斯格明子模式內部矢量場的局部調控，產生緊縮或擴張矢量場分布（如圖2所示）。通過3D打印實際下凹、平整、和上凸的樣品，他們從實驗上實際觀測到了斯格明子模式的緊縮、平緩和擴張的速度場分布。這種斯格明子模式內部局部操控的方法不僅對Néel型模式，對其他類型的模式也具有同樣的調控作用，并且依然保持了斯格明子模式的拓撲保護性。他們的研究結果有效地拓展了操控矢量場的途徑，為未來實現高速、高密度信息存儲和傳輸提供了更多調控自由度。相關工作發表在Applied Physics Letters122, 202201 (2023)，且該論文被選為Editor's Pick（編輯精選）文章（注：Editor's Picks serve to highlight articles with excellent scientific quality and are representative of the work taking place in a specific field.）。
圖2梯度結構實現的斯格明子模式分布調控
與斯格明子模式的速度場分布操控相比，打破瑞利衍射極限，操控聲波壓力場傳輸實現亞波長聚焦有助于實現高分辨率的生物粒子成像。近日，該課題組通過設計人工聲學表面波結構產生等效折射率分布呈拋物線型規律的聲學波導陣列，實現了聲波的深度亞波長聚焦（如圖3所示），特別是這種結構產生的聚焦焦斑縱向位置和橫向位置還可以通過入射波長與入射方向進行調制，為聲學成像和生物粒子探測提供了一種高分辨率成像方法。相關工作發表在Applied Physics Letters122, 222202(2023)上。
吳宏偉副教授課題組長期圍繞人工微結構設計的新型超構材料中聲、光傳輸調控等開展研究工作，2021年入選安徽理工大學“青尖”人才培育項目，主持國家自然科學基金項目、中國博士后面上項目、安徽省高校協同創新項目、安徽省自然科學基金等8項。以第一作者/通訊作者在國內外重要學術期刊Laser & Photonics Review、Physical Review Applied、Physical Review B、Applied Physics Letters、ACS Applied Nano Materials、Optics Letters、New Journal of Physics等上發表SCI學術論文近30篇。
圖3聲學波導陣列實現的深度亞波長聲聚焦
《Applied Physics Letters》是美國物理聯合會（AIP）旗下標志性期刊，Nature Index（自然指數）首批收錄期刊。自然指數是依托于全球頂級期刊，統計各國家高校或科研院所在國際上最具影響力的研究型學術期刊發表論文數量的數據庫。該刊物特色鮮明，主要報道應用物理領域的最前沿的重大發現，是國際應用物理領域最具影響力的雜志之一。（撰稿：力物學院 鄭靈程 編輯：宣傳部 夏雅鳳）
文章鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0131777
https://doi.org/10.1063/5.0145611
https://doi.org/10.1063/5.0151926
