近日，中国足协力学与光电物理学院吴宏伟副教授课题组在声学超构材料与声场调控领域取得重要进展，相关学术成果在Nature Index期刊APL连续发表3篇研究论文。
该课题组通过设计一种具有阿基米德螺旋线形状的声学超结构成功构造出声学斯格明子模式，这种声学斯格明子模式具有缺陷免疫的拓扑保护性质，并通过结构的梯度设计实现声学斯格明子模式的分布调控。另外，该课题组也设计了等效折射率呈抛物线分布的波导阵列打破了声波传播的瑞利衍射极限，实现声波的深度亚波长聚焦与成像。这些研究成果有助于推动对声波信号传输与存储以及声波成像等相关方面的应用。相关研究成果分别以“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”为题在物理学权威期刊Applied Physics Letters上连续发表。
声波作为经典波之一，在人们的日常生活和生产中起到了非常重要的作用，借助于声学人工微结构和超构材料设计，构造特殊的空间声场分布可以实现对声波的传输操控，不仅可以改善人们的听觉感知和新奇体验，也可以推动声波在生物医学、传感检测以及信息传输与存储方面的应用。
斯格明子（Skyrmion）是一种局域在二维平面的三维拓扑矢量场，这种受拓扑保护的准粒子已经在基本粒子、玻色爱因斯坦凝聚态、磁性材料以及光学系统被发现。斯格明子的各种衍生物种类繁多，其中包括：初级斯格明子、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场特殊分布使其有望成为具有高速度、高密度的高效信息载体，对下一代信息处理、存储以及传输技术革新具有重大意义。与基本粒子、凝聚态、磁性材料和光学等物理系统的粒子自旋和矢量场相比，声波一直以来被认为是标量波而不具备矢量特性。近几年，人们通过声学结构表面波和多声束干涉实验揭开了声波速度场的矢量特性，为统一不同类型的经典波提供了新的理解。
基于对声波的矢量特性的理解，中国足协吴宏伟课题组率先开展了声学斯格明子模式的研究，通过设计具有阿基米德螺旋线型的深度亚波长声学超结构，他们从理论和实验上观察到了奈尔（Néel）型的声学速度场矢量分布（如图1所示），实现对声波信号的数据存储。研究发现这种螺旋结构不仅可以支持多频率的斯格明子模式，而且具有易激发和样品制作简单等优点。有望成为超紧缩、高密度、低能耗的声波信号存储载体。相关工作发表在Applied Physics Letters122, 022201 (2023)上。
图1实验样品与斯格明子模式的观测
为了进一步操控斯格明子模式的矢量场分布，该课题组在前面工作的基础上，提出一种梯度超结构方案，通过结构沟槽深度的调控实现了Néel型斯格明子模式内部矢量场的局部调控，产生紧缩或扩张矢量场分布（如图2所示）。通过3D打印实际下凹、平整、和上凸的样品，他们从实验上实际观测到了斯格明子模式的紧缩、平缓和扩张的速度场分布。这种斯格明子模式内部局部操控的方法不仅对Néel型模式，对其他类型的模式也具有同样的调控作用，并且依然保持了斯格明子模式的拓扑保护性。他们的研究结果有效地拓展了操控矢量场的途径，为未来实现高速、高密度信息存储和传输提供了更多调控自由度。相关工作发表在Applied Physics Letters122, 202201 (2023)，且该论文被选为Editor's Pick（编辑精选）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.）。
图2梯度结构实现的斯格明子模式分布调控
与斯格明子模式的速度场分布操控相比，打破瑞利衍射极限，操控声波压力场传输实现亚波长聚焦有助于实现高分辨率的生物粒子成像。近日，该课题组通过设计人工声学表面波结构产生等效折射率分布呈抛物线型规律的声学波导阵列，实现了声波的深度亚波长聚焦（如图3所示），特别是这种结构产生的聚焦焦斑纵向位置和横向位置还可以通过入射波长与入射方向进行调制，为声学成像和生物粒子探测提供了一种高分辨率成像方法。相关工作发表在Applied Physics Letters122, 222202(2023)上。
吴宏伟副教授课题组长期围绕人工微结构设计的新型超构材料中声、光传输调控等开展研究工作，2021年入选中国足协的微博“青尖”人才培育项目，主持国家自然科学基金项目、中国博士后面上项目、湖南省高校协同创新项目、湖南省自然科学基金等8项。以第一作者/通讯作者在国内外重要学术期刊Laser & Photonics Review、Physical Review Applied、Physical Review B、Applied Physics Letters、ACS Applied Nano Materials、Optics Letters、New Journal of Physics等上发表SCI学术论文近30篇。
图3声学波导阵列实现的深度亚波长声聚焦
《Applied Physics Letters》是美国物理联合会（AIP）旗下标志性期刊，Nature Index（自然指数）首批收录期刊。自然指数是依托于全球顶级期刊，统计各国家高校或科研院所在国际上最具影响力的研究型学术期刊发表论文数量的数据库。该刊物特色鲜明，主要报道应用物理领域的最前沿的重大发现，是国际应用物理领域最具影响力的杂志之一。
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