近日，我校力物学院光电物理系吴宏伟副教授研究团队在声学超构材料与声场调控领域取得系列重要进展。相关研究成果发表于物理学权威期刊Applied Physics Letters（中科院二区，TOP期刊）、NewJournal of Physics（中科院二区）上。
声波作为经典波之一，在人们的日常生活和生产中起到重要作用，借助于声学超构材料设计，构造特殊分布可以实现对声波传输操控，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），最早是由英国物理学家Tony Skyrme在高能物理中提出的一种拓扑孤立子。近些年，人们在不同物理系统（包括：玻色爱因斯坦凝聚、磁性材料、光学系统等）中观察到了斯格明子模式，并发展衍生出各式各样的斯格明子分布，这种特殊的矢量场分布有望代替传统的计算机硬盘实现超紧缩的数据存储器。
声波在人们的生活和生产中处处存在，因此对声波信号的操控和存储具有重要的意义。我校吴宏伟副教授课题组率先在声学领域开展斯格明子模式研究，设计了阿基米德螺旋线型的亚波长超结构实现了局域型声学斯格明子模式（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。相关工作以题“Observation of localized acoustic skyrmions”发表在Applied Physics Letters122, 022201 (2023)上。
图1 声学超构材料实现斯格明子模式
传统的斯格明子模式按照矢量场分布类型可以分为Néel型、布洛赫型、高阶型以及半子型等，这些类型的斯格明子模式具有固定的矢量场分布特征。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，实现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。相关工作以题“Localized manipulation of spoof surface acoustic skyrmions with deep-subwavelength gradient structures”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 梯度结构操控矢量场分布
与斯格明子这种受实空间拓扑保护的模式相比，受倒空间拓扑保护的拓扑绝缘体在物质波、光波以及声波等不同物理分支也引起人们的广泛关注。这种拓扑绝缘体因具有对杂质、缺陷免疫的性质，可以有效地提高信息传输效率，有望基于此制作新型光、声器件。最近，该课题组基于实空间的几何弯曲提出一种可通过几何势能实现了对拓扑边界态操控功能（如图3所示），产生一种受拓扑保护的特殊局域态，这种通过空间弯曲产生的边界态操控有望在柔性声学器件等方面产生潜在的应用。相关工作以题“Localization of edge state in acoustic topological insulators by curvature of space,”被New Journal of Physics25, 043009 (2023)杂志报道。
图3 弯曲声学拓扑绝缘体边界态捕获
吴宏伟副教授研究团队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IM体育·(中国)官方网站“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、安徽省高校协同创新项目、安徽省高校自然科学研究重大项目等8项。以第一作者/通讯作者在国内外重要学术期刊Laser & Photonics Review、Chemical Engineering Journal、Physical Review Applied、Physical Review B、AppliedPhysics Letters、ACS Applied Nano Materials、Optics Letters、New Journal of Physics等上发表SCI学术论文近30篇。兼任ACS Photonics、Applied Physics Letters、Optics Letters、Optics Express等10余种国际SCI期刊的审稿人。
