我校物理学院声学研究所、人工微结构科学与技术协同创新中心程建春和梁彬课题组在声学非互易操控研究方面取得重要进展，提出了声阻抗调控的新机制，设计并构建了具有时空调制特性的声学超材料，首次在实验上实现了声学模式的非互易转变。最新研究成果以"Efficient nonreciprocal mode transitions in spatiotemporally modulated acoustic metamaterials" 为题发表在2021年11月3日的Science Advances上[Sci. Adv. 7, eabj1198 (2021)]。
如何打破声学体系的时空反演对称性（space-time reversal symmetry）、实现声波的非互易传输，始终是声学基础研究中的关键问题，并在声波操控、声通信和医学成像等方面的应用中也具有重要实际意义。程建春和梁彬课题组在前期工作中分别通过引入声学非线性和背景流场的机制来打破时间反演，首次实现了具有单向传输特性的声学二极管[Phys. Rev. Lett. 103, 104301 (2009), Nat. Mater. 9, 989 (2010)]和具有抗反射功能的声学陈绝缘体[Phys. Rev. Lett. 122, 014302 (2019)]。然而声学非线性的倍频转化效率低，且依赖较强的入射声功率；而背景流场的引入离不开旋转驱动装置，使得系统较为庞大、复杂，这都限制了声学单向传输的实际应用。如何在无驱动、无噪声、无流场的情况下实现声学模式的高效非互易转换，成为一个亟待解决的难题。
在本工作中，我们提出了具有时空调制（Spatiotemporal modulation）特性的声学超材料（Acoustic metamaterials）的设计理论及实现方法。如图1所示，通过对超材料的阻抗特性引入行波调制，打破了时间空间反演对称，实现声波模式的非互易转变，利用超薄人工器件对两侧的基波和谐波产生了"有来无回"的操控效果。对正向传播的情况，角频率ωi的基波垂直入射到调制频率为ωm且具有横向波矢的超表面上，角频率ωi+ωm的谐波沿角度θ折射；而当ωi+ωm的声波反向传播时，其产生的声波ωi不再沿原路返回，而是变成了超表面上的倏逝波。
图1 时空调制实现非互易声波传输。(A)基于时空调制声学超表面实现声波的非互易传输。(B)正向传播时，+1次谐波沿角度θ折射。(C)反向传输时，−1次谐波变回原来入射波的频率，但不再沿原路径返回，而是变成倏逝波。
为具体实现所提出的时变超材料，我们利用动圈式电声换能器的电磁-声场耦合特性，构建了可通过外电路调控的声阻抗单元。通过继电器控制其回路的通断，即可对该超材料单元的阻抗特性实现快速、任意的调制。如图2所示，通过阻抗管测量证明了该机制可以有效地将入射声波能量转换到其他谐波。
图2 (A)阻抗管测量时变调制的超材料单元谐波转化效率。(B)超材料单元的电路控制图。(C)声波经过周期调制超材料的透射谱线的数值模拟和实验测量结果对比。
基于此，通过将所设计的超材料单元排列成一维阵列，并通过单片机输出信号精确控制每个单元的调制相位分布，实现了可编程控制的时空调制超材料，从而打破时间反演对称性，实现了声波模式的非互易转换。以图3-4为例，我们展示了该时空调制超材料的声场非互易操控性能。当我们设计超表面的调制相位随空间线性变化，如图3所示，可以实现单向的倏逝波模式转化。而当超表面的调制相位设计成抛物线形时，可以实现非互易的声波蓝移聚焦，如图4所示。
图3 单向倏逝波转换。(A)声学超材料时空调制的初始相位的空间分布。(B)基频1000Hz和谐波1100Hz之间的入射与透射角度关系。(C)正向传播时1000Hz的基波垂直入射，产生的1100Hz谐波在透射侧沿32°折射。(D)反向过程，1100Hz声波产生1000Hz且沿表面传播的倏逝波。
图4 单向蓝移声聚焦。(A)声学超材料时空调制的初始相位的空间分布。(B)正向传播时，1000Hz的基波垂直入射后在透射侧实现了1100Hz谐波的聚焦。(C)焦平面位置处1100Hz声波的强度分布。(D)反向过程中，入射的1100Hz点声源经过超材料后产生1000Hz的透射声波并继续发散。
本工作提出了一种实现高效、可重构的时空调制声学超材料的新机制。通过精心设计超材料阵列的调制相位分布，我们实现了静态超材料中无法实现的单向倏逝波转换和非互易蓝移声聚焦。通过设计沿波导方向的时空调制，或者将这种调制机制拓展到三维空间，我们可以获得一个研究非互易拓扑声学以及合成维度声学物理规律的崭新平台。
最新研究成果以"Efficient nonreciprocal mode transitions in spatiotemporally modulated acoustic metamaterials" 为题发表在2021年11月3日的Science Advances上[Sci. Adv. 7, eabj1198 (2021)]。南京大学博士生陈召宪、李澔翔和纽约城市大学访问学者彭玉桂为该文章的共同第一作者，南京大学梁彬教授、程建春教授，华中科技大学祝雪丰教授和纽约城市大学Andrea Alù教授为共同通讯作者。南京大学陆延青教授给予了理论指导。该项工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、南京大学登峰人才计划（B类）和华中科技大学鸟巢计划等项目支持。