南京大学物理学院声学研究所、近代声学教育部重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心梁彬、杨京和程建春等人在声波操控方面取得重要进展，首次验证了声学体系下的Airy-Talbot表面态，并基于此实现了二维体系内非周期声信号的空间复用传输。
Talbot效应又称自成像效应，是英国物理学家Henry Fox Talbot于1836年发现的一类经典光学现象，表现为平行光束经过周期光栅后每传播固定距离将重现光栅图案。这种自成像效应可在声学等其他经典波体系实现，并有望应用于高质量成像等重要场景，但传统Talbot效应仅沿直线传输的特性限制了信号传输路径的选择。近年来，通过周期叠加具有自加速特性的Airy束，人们在光学领域发现了一种新的自成像效应—Airy-Talbot效应，具备沿着弯曲路径周期复现所输入图像的能力。然而，由于声波固有的长波长、强扩散和高损耗等限制，如何在声学体系实现Airy-Talbot效应仍然是一个挑战性问题。
针对上述科学问题，课题组提出了利用超薄声学人工表面来产生并调控Airy-Talbot效应的学术思想（图1），通过设计具有亚波长厚度的声学共振单元来激发伪表面波模式并突破自由空间中的衍射极限，首次在声学体系中实验实现了Airy-Talbot效应。值得强调的是，课题组通过改变超表面的等效折射率实现了自成像周期的灵活调制，突破了传统Talbot效应仅能通过调整信号间距改变自成像距离的固有限制，实现了非周期声信号沿弯曲路径的重现，并实验验证了Airy-Talbot效应对传输路径上大尺寸散射体的强鲁棒性。
基于此，课题组首次将Airy-Talbot效应应用于高速声学通信，提出了一种二维波动体系内非周期声信号的空间复用技术，并通过测量大尺寸障碍物存在时的声传输效率，展示了该机制在避障传输方面的优越性。以两幅二进制图像的并行传输为例（图2），通过在时域上调制声源，将待传输的图像的二进制编码信息加载到所对应的Airy-Talbot模式和独立的Airy波束模式上，并在自成像平面内对信号进行接收和解码。与基于声学轨道角动量的空间复用方法不同，该机制将亚波长的Airy波束作为二维体系内的编解码自由度，并利用Airy束的自愈特性和Talbot效应的自成像效应，因而能够在保持高质量、强鲁棒性的声传输效率的同时显著缩减器件尺寸，对于片上通信等场景意义重大。实验结果展示了具有低误码、高容量、低串扰等优异性能的高质量声信息传输，有望在复杂背景媒质中的声学成像和通信问题中产生重要应用。
图1. (a) 在声学人工体系中激发和调制Airy-Talbot声束的原理示意图；(b) 声学超表面设计；(c) 人工声学表面所承载的伪表面波模式的色散曲线；(d-g) Airy-Talbot声束的振幅分布图和两个自成像平面处的振幅剖面图。
图2. 基于 Airy-Talbot 效应的高空间信息密度声通信示意图。(a) 两幅二进制图像（灯塔和熊猫，每幅图有 128×128 个像素点）分别通过两个信道(Ch1/Ch2)进行传输；(b) 由信道中Airy束携带的接收数据独立检索图像；(c) 目标输出和实际输出信号间的比较；(d) 图(b)中红色方框区域的放大视图。
相关研究成果以“Superwavelength Self-Healing of Spoof Surface Sonic Airy-Talbot Waves”为题发表于《Nature Communications》。南京大学物理学院李澔翔博士和刘京京副研究员为共同第一作者，南京大学梁彬教授、杨京副教授、程建春教授及西班牙IMDEA研究所Johan Christensen教授为共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、南京大学登峰人才计划、江苏高校优势学科建设工程项目等项目支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-43379-9
【文章来源：南大新闻】