中国科学家发现声学中的“双面神”：逾越声自旋的近场调控

人类对声现象的研究古已有之。近场倏逝波声场是一种常见的颠簸模式，其颠簸强度会随距离增加而指数型下降，出现出高度的空间局域性。它可以携带信息，且具备很高的能量密度，因此在信息传输、无线传能、无损探测、超分辨显微成像等偏向具有辽阔的应用前景。可是这些应用都需要一个前提：对近场波的选择性调控。

怎样才气使近场波像远场波一样，具有高度可调的偏向性和高指向性？

对于光学近场波的选择性调控，已有不少研究事情。可是声学纵波缺乏电磁横波富厚的偏振极化自由度，其深亚波长尺度的近场研究受到了诸多限制。对于近场物理中的对称和拓扑性质，也还缺乏系统性的明白。

最近，同济大学声子学与热能科学中心任捷教授、陈鸿教授课题组和南京大学现代工学院卢明辉教授、陈延峰教授课题组互助，基于南京大学和中科院声学所许相园博士、鲍明教授课题组团结研发的矢量声学探测器，在《国家科学评论》(National Science Review，NSR) 上揭晓研究论文，在实验和理论上系统性展现了近场倏逝波固有的几何及对称性质，并提出了实现选择性近场纵波耦合的方案。同济大学龙洋博士和南京大学葛浩博士为该文章的并列第一作者。

要实现波的定向输运，通常要以其类量子自旋霍尔效应为基础，使用差别的自旋角动量或手性，通过自旋动量锁定而实现定向输运。该事情提出了比声自旋（Acoustic spin）更进一步的方案，即Janus源和Huygens源。其中Janus是罗马神话中的“双面神”，头部前后各有一张面貌。顾名思义，Janus源选择性地只与单侧模式耦合，这种性质为近场所独占。而Huygens源岂论远场近场都是单向选择耦合，耦合偏向垂直于Janus源。

罗马神话中的“双面神”雅努斯Janus

如何在近场声学中实现Janus源和Huygens源呢？在物理学中，对称性占有相当重要的职位。科学家们发现近场波的动力学特性可以使用具有差别对称性的三种几何正交矢量来形貌：具有宇称-时间对称性的时间平均能流(Poynting vector)J、具有时间反演对称性的无功功率(Reactive power)R、具有空间反演对称性的自旋角动量(SAM)s。凭据文中的声辐射理论，声源可以看作是声单极子、偶极子和四极子的叠加。所以，上述三种信号源（声spin源、Janus源和Huygens源）可以由差别的声单、偶极子组合来实现，而且具有各自差别的对称性。

(a)倏逝波可以在流传介质(空气)和绝缘介质(灰色块)的界面上流传。压力场由彩虹色波表现，速度场由红色箭头表现。其近场特性可以由三个矢量物理量表现：时间平均能量流J、无功功率R和声SAM密度s。(b)三个正交向量:J(黄色)、R(蓝色)和s(绿色)在宇称-时间, 时间反演, 空间反演变换下有差别的对称性。

接下来，如何在实验中实现这三种声源呢？科学家们使用五个环形排列的扬声器，对每个扬声器的振幅和相位举行独立控制，从而实现单偶极子的任意组合，构建出了三种声信号源。而近场波可以使用两个相互对立的梳状外貌结构结构。

(a)使用五个扬声器(单极)来实现差别的声源。(b)实验装置照片。该梳状铝结构是一种具有有效负参数的声学超质料，支持富厚的外貌近场声波模式。

当从系统中间引发普通信号源时，声音在上下左右四条支路上都市传输。但当源具有差别对称性时，效果大不相同：Janus源选择性地耦合到单侧(上或下外貌)；Huygens源引发单向(左或右半边)的外貌模态；而声自旋源则在对角偏向上引发。这与理论预测效果吻合得很是好。此外，当差别的源引发时，声近场波中自旋角动量的对称性也获得了充实的讨论和实验验证。

Janus源, Huygens源和spin源的近场耦合实验效果，内部插图为三种声源的远场辐射模式。

任捷教授先容说：“该互助为近场倏逝波的对称性研究打开了一扇新的大门，可以指导具有新奇性质的近场波源的定向设计。在未来，我们希望这种方法可以在多个领域获得应用，包罗近场声音传感器、用于质料缺陷检测和微区弹性测试的近场声显微镜、声音信息和能量的定向耦合输运、与纳米技术联合制造集成纳米声子器件等。”

值得注意的是，这种基于对称性分析的源设计方法也可以推广到其它波的研究领域，为种种光学、声学、声子学、力学器件的小型化、高效化、集成化提供可能。该项互助研究事情受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委的资助。