近日，我院应用物理系伏洋洋副研究员和刘友文教授与苏州大学的徐亚东教授、南京大学的卢明辉教授等合作，利用双层超构表面中的单向轨道角动量转化机制，首次提出一种涡旋声场非对称产生的新现象和物理机制。相关成果以 “Asymmetric generation of acoustic vortex using dual-layer metasurfaces”为题发表在物理学权威期刊《Physical Review Letters》上。伏洋洋副研究员为论文的共同通讯作者和第一作者，苏州大学的徐亚东教授和南京大学的卢明辉教授为论文的共同通讯作者。

研究背景与创新

非对称传输现象因其在实现单向器件上起着重要作用而受到研究人员广泛的关注。近年来，为实现光/声的非对称效应，研究人员探索了诸多方案，例如磁光材料、非线性、非厄米调制、拓扑绝缘体以及超构表面等，并揭示了诸如单向模式转化、非对称衍射和单向等离激元激发等众多新奇现象。然而，这些方法主要局限于低自由度的平面波场，很难拓展到更高维度的结构波场，例如，具有轨道角动量（OAM）的涡旋场。

本工作通过构建具有不同“人工拓扑荷”的双层相位梯度超构表面，首次理论提出并实验验证了涡旋声场非对称产生的新现象及相关单向OAM转化的物理机制。不同于以往的研究，本工作提出的非对称效应不仅表现为单向的能量传输效率而且还体现在非对称的OAM模式上。受奇偶宇称几何设计的保护，该双层超构表面中的单向OAM转化性质稳健，因此所提出的非对称效应也具有稳健性，这一特点是传统相位扭曲器件（如螺旋相位板）所无法实现的。本工作拓展了当前声学OAM的研究范畴，为涡旋场非对称调控提供了全新思路，对发展新型OAM功能器件具有重要价值。

图1.双层超构表面构建声涡旋场非对称产生的示意图及其物理机制

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.104501