研究背景

手性是自然界的基本属性之一，在波动系统中，它通常由圆偏振电磁波的非对称散射来表征，但这也局限于左右两种旋向的偏振，限制了手性物理的挖掘。为了实现更多可能性，研究团队选择了由轨道角动量（OAM）表征的手性调控思路，通过构建镜面对称破缺的声学超构表面，观测到一种特殊的本征态—本征声场具有手性的连续谱准束缚态（QBIC），可使超构表面和正/负旋向螺旋声波选择性耦合，让系统处于特殊状态（完美手性奇异点）：左旋入射波被完全吸收，而右旋入射波则被完全反射，进而实现最大化手性声场调控。由于OAM除了正反旋向之外，还具有高阶拓扑荷数的无穷自由度，极大丰富了手性声场调控的物理内涵。

研究进展

研究团队构建了如图1(a)所示的声学超构表面。它原本具有180°旋转对称性、σ1,2镜面对称性。在蓝色槽中引入微扰后，σ1,2镜面对称性被打破，超构表面呈现手性的几何结构 [图1(b)]。研究团队探究了这个超构表面置于一个直径为100mm的圆柱波导末端（另一端为反射边界）时的本征态。

图1 (a)镜面对称的超构表面，(b)镜面对称破缺的超构表面，(c)参数空间中超构表面本征态的品质因子，(d)参数空间中超构表面本征态的模式成分，(e)BIC和手性QBIC的本征场图 | 图源：同济大学

在这个开放系统中，本征态与外界的耦合强度由复数频率ω=ω₀+jγᵣ描述，其中ω₀为共振频率，γᵣ为辐射衰减速率，则品质因子可以表示为：Qᵣ=ω₀/(2γᵣ)。在参数空间中，存在一个品质因子无限大的点，代表了一个嵌入在连续谱中的束缚态（BIC，频率为3136.3 Hz），其特点是跟外界入射波完全解耦。在BIC的周围是一些品质因子有限大的本征态，被称为连续谱中的准束缚态（QBIC）。它们可以与外界入射波耦合，决定着超构表面的散射特性[图1(c)]。研究团队将这些BIC、QBIC的辐射场进行模态分解后，发现其中有一个特殊的QBIC，其辐射场中仅存在顺时针的OAM，而逆时针的OAM则完全消失 [图1(d)红点]。这个特殊的QBIC被称为手性QBIC。图1(e)为BIC与手性QBIC的本征辐射场图。从中可以发现，BIC向外界的辐射波为0，而手性QBIC仅向一个通道辐射声波。这种定向的辐射使系统处于一个完美手性奇异点。

图2 (a)实验平台示意图，(b)完美手性奇异点处的入射和反射三维场图，(c)完美手性奇异点处的入射和反射二维横截面场图，其中第一行为幅值图，第二行为相位图 | 图源：同济大学

研究团队通过实验验证这个奇异点处超构表面的散射特性 [图2(a)]。左边的喇叭阵列可以发射携带OAM的声涡旋波，入射到波导末端的样品表面。通过扫描蓝色区域的声压，可以获得入射场图和反射场图。图2(b)为仿真入射、反射三维场图。可以发现，左旋入射波（顺时针OAM）被完全吸收，而右旋入射波（逆时针OAM）则被完全反射。实验测量的二维场图与仿真结果可以较好地吻合，证明在手性完美奇异点处，可实现最大化手性声场操控。

该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金及上海市科委项目的支持。

论文链接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.116101

--同济大学