近日，安徽理工大學(xué)力學(xué)與光電物理學(xué)院吳宏偉副教授課題組在聲學(xué)超構(gòu)材料與聲場(chǎng)調(diào)控領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)學(xué)術(shù)成果在Nature Index期刊APL連續(xù)發(fā)表3篇研究論文。

       該課題組通過設(shè)計(jì)一種具有阿基米德螺旋線形狀的聲學(xué)超結(jié)構(gòu)成功構(gòu)造出聲學(xué)斯格明子模式，這種聲學(xué)斯格明子模式具有缺陷免疫的拓?fù)浔Ｗo(hù)性質(zhì)，并通過結(jié)構(gòu)的梯度設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)聲學(xué)斯格明子模式的分布調(diào)控。另外，該課題組也設(shè)計(jì)了等效折射率呈拋物線分布的波導(dǎo)陣列打破了聲波傳播的瑞利衍射極限，實(shí)現(xiàn)聲波的深度亞波長(zhǎng)聚焦與成像。這些研究成果有助于推動(dòng)對(duì)聲波信號(hào)傳輸與存儲(chǔ)以及聲波成像等相關(guān)方面的應(yīng)用。相關(guān)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(xué)權(quán)威期刊Applied Physics Letters上連續(xù)發(fā)表。

       聲波作為經(jīng)典波之一，在人們的日常生活和生產(chǎn)中起到了非常重要的作用，借助于聲學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和超構(gòu)材料設(shè)計(jì)，構(gòu)造特殊的空間聲場(chǎng)分布可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yàn)，也可以推動(dòng)聲波在生物醫(yī)學(xué)、傳感檢測(cè)以及信息傳輸與存儲(chǔ)方面的應(yīng)用。

       斯格明子（Skyrmion）是一種局域在二維平面的三維拓?fù)涫噶繄?chǎng)，這種受拓?fù)浔Ｗo(hù)的準(zhǔn)粒子已經(jīng)在基本粒子、玻色愛因斯坦凝聚態(tài)、磁性材料以及光學(xué)系統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)。斯格明子的各種衍生物種類繁多，其中包括：初級(jí)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(chǎng)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(duì)下一代信息處理、存儲(chǔ)以及傳輸技術(shù)革新具有重大意義。與基本粒子、凝聚態(tài)、磁性材料和光學(xué)等物理系統(tǒng)的粒子自旋和矢量場(chǎng)相比，聲波一直以來(lái)被認(rèn)為是標(biāo)量波而不具備矢量特性。近幾年，人們通過聲學(xué)結(jié)構(gòu)表面波和多聲束干涉實(shí)驗(yàn)揭開了聲波速度場(chǎng)的矢量特性，為統(tǒng)一不同類型的經(jīng)典波提供了新的理解。

       基于對(duì)聲波的矢量特性的理解，我校吳宏偉課題組率先開展了聲學(xué)斯格明子模式的研究，通過設(shè)計(jì)具有阿基米德螺旋線型的深度亞波長(zhǎng)聲學(xué)超結(jié)構(gòu)，他們從理論和實(shí)驗(yàn)上觀察到了奈爾（Néel）型的聲學(xué)速度場(chǎng)矢量分布（如圖1所示），實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波信號(hào)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)這種螺旋結(jié)構(gòu)不僅可以支持多頻率的斯格明子模式，而且具有易激發(fā)和樣品制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。有望成為超緊縮、高密度、低能耗的聲波信號(hào)存儲(chǔ)載體。相關(guān)工作發(fā)表在Applied Physics Letters122, 022201 (2023)上。

圖1.實(shí)驗(yàn)樣品與斯格明子模式的觀測(cè)

       為了進(jìn)一步操控斯格明子模式的矢量場(chǎng)分布，該課題組在前面工作的基礎(chǔ)上，提出一種梯度超結(jié)構(gòu)方案，通過結(jié)構(gòu)溝槽深度的調(diào)控實(shí)現(xiàn)了Néel型斯格明子模式內(nèi)部矢量場(chǎng)的局部調(diào)控，產(chǎn)生緊縮或擴(kuò)張矢量場(chǎng)分布（如圖2所示）。通過3D打印實(shí)際下凹、平整、和上凸的樣品，他們從實(shí)驗(yàn)上實(shí)際觀測(cè)到了斯格明子模式的緊縮、平緩和擴(kuò)張的速度場(chǎng)分布。這種斯格明子模式內(nèi)部局部操控的方法不僅對(duì)Néel型模式，對(duì)其他類型的模式也具有同樣的調(diào)控作用，并且依然保持了斯格明子模式的拓?fù)浔Ｗo(hù)性。他們的研究結(jié)果有效地拓展了操控矢量場(chǎng)的途徑，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)高速、高密度信息存儲(chǔ)和傳輸提供了更多調(diào)控自由度。相關(guān)工作發(fā)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的斯格明子模式分布調(diào)控

       與斯格明子模式的速度場(chǎng)分布操控相比，打破瑞利衍射極限，操控聲波壓力場(chǎng)傳輸實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)聚焦有助于實(shí)現(xiàn)高分辨率的生物粒子成像。近日，該課題組通過設(shè)計(jì)人工聲學(xué)表面波結(jié)構(gòu)產(chǎn)生等效折射率分布呈拋物線型規(guī)律的聲學(xué)波導(dǎo)陣列，實(shí)現(xiàn)了聲波的深度亞波長(zhǎng)聚焦（如圖3所示），特別是這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聚焦焦斑縱向位置和橫向位置還可以通過入射波長(zhǎng)與入射方向進(jìn)行調(diào)制，為聲學(xué)成像和生物粒子探測(cè)提供了一種高分辨率成像方法。相關(guān)工作發(fā)表在Applied Physics Letters122, 222202(2023)上。

       吳宏偉副教授課題組長(zhǎng)期圍繞人工微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新型超構(gòu)材料中聲、光傳輸調(diào)控等開展研究工作，2021年入選安徽理工大學(xué)“青尖”人才培育項(xiàng)目，主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)博士后面上項(xiàng)目、安徽省高校協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目、安徽省自然科學(xué)基金等8項(xiàng)。以第一作者/通訊作者在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)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(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文近30篇。

圖3.聲學(xué)波導(dǎo)陣列實(shí)現(xiàn)的深度亞波長(zhǎng)聲聚焦

       《Applied Physics Letters》是美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)（AIP）旗下標(biāo)志性期刊，Nature Index（自然指數(shù)）首批收錄期刊。自然指數(shù)是依托于全球頂級(jí)期刊，統(tǒng)計(jì)各國(guó)家高?；蚩蒲性核趪?guó)際上最具影響力的研究型學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文數(shù)量的數(shù)據(jù)庫(kù)。該刊物特色鮮明，主要報(bào)道應(yīng)用物理領(lǐng)域的最前沿的重大發(fā)現(xiàn)，是國(guó)際應(yīng)用物理領(lǐng)域最具影響力的雜志之一。

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

新聞鏈接：https://news.aust.edu.cn/info/1011/36456.htm

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