近日，理学院应用物理系伏洋洋副研究员和刘友文教授与美国杜克大学的S. A. Cummer教授以及苏州大学的徐亚东教授合作，在声学轨道角动量研究方面取得重要进展，提出利用相位渐变超构光栅实现操控声学轨道角动量的新机制:声涡旋衍射机制。研究团队设计并实验上验证了一种不对称声涡旋传输器件，该器件在基于声学轨道角动量通信方面具有极大的应用价值。相关成果以 “Sound vortex diffraction via topological charge in phase gradient metagratings”为题发表在Science子刊《Science Advances》杂志上。伏洋洋副研究员为论文的共同通讯作者和第一作者，杜克大学的Cummer教授和苏州大学的徐亚东教授为论文的共同通讯作者。

研究背景与创新

轨道角动量（OAM）在粒子操控、信息通信等方面具有巨大的发展潜力和应用价值。近年来，声学轨道角动量相关研究为声波操控提供了新的自由度，“相位扭曲”技术更是为声学轨道角动量的产生和操控注入了活力，但具有控制能力单一的问题。因此，新的声学轨道角动量操控机制亟需发展，用以扩展当前基于轨道角动量器件的功能和应用。伏洋洋副研究员基于其最近二维平面超构光栅的研究成果[Nat. Commun. 10, 2326 (2019))],将超构光栅的衍射效应拓展到三维圆柱波导中，用以操控声学轨道角动量。不同于之前声学轨道角动量的研究，该工作将渐变的人工结构看作衍射光栅，创新地提出“广义拓扑核守恒原则”，

     （1）

用于研究声涡旋衍射问题。研究发现，当入射涡旋的拓扑核小于“临界拓扑核”，入射涡旋将被直接“相位扭曲”（twisting phase）为新的透射涡旋，

       （2）

而当入射拓扑核大于“临界拓扑核”，将遵循声涡旋衍射方程，

（3）

其中L=m+n（L为多重反射次数，m为超构光栅的结构单元数目）。

整个波导系统的声涡旋传输现象可以由公式（2）和公式（3）所决定。通过合理设计波导截止模式和超构光栅的人工拓扑核（），除了“相位扭曲”方法之外，涡旋传输还可以通过其他的通道（衍射级次）来实现。特别是，对应某个衍射级次n，可以通过改变结构单元数目（m）控制L的奇偶性，对该通道的反射和透射加以控制，从而设计一些功能性的声学轨道角动量器件。本工作基于涡旋衍射机理，设计并实现了一种不对称的声涡旋传输器件，同时也在理论上实现了单向的声学轨道角动量通信功能。

图：不对称声涡旋传输的实验验证；（A）制备的超构光栅；（B）实验装置图;拓扑核为的声涡旋从左侧（C）和右侧（D）入射数值模拟和实验测量的透射相位和振幅；

（文章链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/40/eaba9876）