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单向“声聚焦”和“声透明”

“宇称-时间”对称性(Parity-Time symmetry)的概念来源于量子力学,可以看作是经典量子力学理论在复数域的推广。对于一个与外界无能量交换的保守系统而言,其哈密顿量在厄米共轭下具有不变性,则称这类哈密顿量是厄米的。厄米性确保了量子系统的本征值为实数(可观测量)且满足几率守恒;而对于一个非厄米的开放系统,通常认为能量的流入与流出必然伴随着复数本征值的出现。

(a)前向入射(上)与反向入射时的声学能量密度场分布的理论模拟(左)与实验测量(右)结果 (b)图(a)中的白色虚线所对应的声场分布;折射率的实部与虚部调制的区域分布 (c)3000Hz前向入射声学驻波的模拟与测量波形 (d)不同频率下Gf/Gb比值的模拟与实验值


这种超构材料晶体由周期性交替放置的凹槽状和微孔状超构材料组成,二者分别用于构造无源宇称时间对称势场所要求的空间折射率实调制和虚调制,因此能够在由宇称时间对称相到破缺相的奇异点附近(实调制幅度等于虚调制幅度)向入射波提供固定大小的非配对波矢,从而形成单向无反射的现象。
      更为重要的是,声学系统允许该非配对波矢在二维空间中的灵活调控。这是首次在实验上实现的具有二维空间分布的无源声学宇称时间对称系统。
      该工作不仅确认了无源声学系统作为一个良好实验平台在研究宇称时间对称性物理问题方面的可行性,而且展现了在高维空间中自由调控单向波矢所能实现的独特声波操控方式。
单向反射声聚焦现象在一定宽度的频带上(高于布拉格共振频率)都能够观察到,这来源于不同频率在不同位置(图3a中的星形标志)形成的方向性波矢匹配。测量得到的干涉条纹(图3b)很好的验证了这一点。同时,不同频率形成的焦点位置位于一个较小的区域内(图3c和图3d),清晰地展示了单向聚焦效应对有一定带宽的入射波同样有效。
      
      原文引自“两江科技评论”微信公众号。
      原文地址:https://mp.weixin.qq.com/s/MP3A8SKHBkOkYM0h22-AIw


(a)模拟得到的2500、2850、3050、3150 Hz的声场能量密度场 (b)及其对应的实验测量结果 (c)&(d)白色虚线所对应的声场能量分布




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