近日，物理科學與工程學院聲學研究所李勇教授團隊以恒达平台為第一單位在國際著名綜述期刊《物理學進展報告》（Reports on Progress in Physics）第86卷第11期上發表綜述論文“Non-local and non-Hermitian acoustic metasurfaces”。

聲波是一種經典波🛤，在我們感知世界的過程中起著至關重要的作用。因此，任意操縱聲波的能力一直是人們追求的目標𓀃。雖然對聲波的操縱可以追溯到幾個世紀前🍾，但對天然材料的依賴限製了這一方向的發展。聲學超材料的出現解決了這一限製，局域共振極大地增強了波與物質的相互作用👩‍🍳，使小尺寸的材料能夠調控大波長的聲波🐹。其中聲學超表面作為聲學功能材料的研究前沿🕢，在過去十年中取得了長足的發展。

然而，傳統聲學超表面的設計仍然受到其潛在物理機理的限製🤾🏿。傳統超表面的設計過程中認為元胞內的單元之間是解耦的，因此對元胞單元采取獨立設計的方法⚂。然而，由於衍射的存在，波場的非局域性會強烈地影響超表面的效率，甚至改變超表面的波場操控行為（圖1）。因此在超表面設計中考慮胞內單元的相互作用🧙‍♂️，基於此實現的非局域超表面可以極大提高聲學超表面調控聲波的效率👨‍🦳。

圖1.（a）正入射條件下胞內單元獨立設計的梯度相位超表面的反射效率與反射角的關系👩‍⚕️，梯度相位超表面在正入射條件下反射角度從（b）15°，（c）30°，（d）45°的聲場分布表明梯度相位超表面受傳統局域設計影響效率隨著反射角度的增大而減小。

此外🤹🏽‍♂️，傳統的聲學超表面通常被近似為無損系統🏂🏻。然而，由於聲學超表面的超構單元的復雜構型，由此產生的狹窄區域所導致的熱粘性損耗是不可忽略的🤦🏼‍♀️。在傳統的設計思路中會通過控製結構參數盡量避免狹窄區域來減少損耗的影響。但隨著聲學超表面的發展，一種反直覺的設計方式已經出現，那就是利用非厄米特性來增加聲學系統調控聲波的自由度（圖2）🏇。

圖2.（a）厄米聲學雙腔系統的特征頻率與腔體耦合之間的關系🌆。（b）非厄米聲學雙腔系統在腔體耦合一定的情況下特征頻率與腔體內增益和損耗之間的關系。隨著非厄米特性的引入聲學系統擁有了更豐富的可調性。

非局域與非厄米特性的引入為使用聲學超表面進行聲波操控提供了新的途徑。文章進一步概述了非局域和非厄米之間的協同作用🧖🏻，以及由此延伸發展出的基於非局域耦合原理構建的寬帶吸聲體。將非局域特性引入吸聲系統可為調控寬帶聲波提供新的思路🛟📝，讓輕薄寬帶吸聲體設計成為可能（圖3）💇🏿。

圖3.非局域耦合寬帶吸聲體🦕，通過非局域耦合25個弱吸聲單元實現350Hz-480Hz範圍內阻抗的匹配以完成高效吸聲(平均吸聲系數0.93)。

此外🅾️🤾🏼‍♂️，文章討論了使用非局域和非厄米聲學超表面作為研究奇異點(Exceptional Points)的新平臺的發展潛力（圖4）。不同於傳統奇異點🙍🏼‍♀️，文章還探討非局域和非厄米協同作用下的特殊奇異點，一種極致的非對稱傳輸現象。

圖4.非局域和非厄米聲學超表面實現高階奇異點(Exceptional Points)的示意圖👨🏼‍🦱，聲學超表面支持正入射，左入射👋🏽，右入射三個通道，在高階奇異點(Exceptional Points)處左入射通道聲波發生異常反射，正入射和右入射通道的入射聲波被完美吸收。

最後🤹‍♂️，文章展望了非局域和非厄米聲學超表面在拓撲聲學、聲學傳感器件👩‍⚖️、聲學散射體、人工智能聲學材料、主動可調諧聲學器件和非線性聲學超材料等新興研究領域的未來應用。

物理科學與工程學院王旭副教授和2019級直博生董睿智為論文共同第一作者，李勇教授和賓州州立大學景雲教授為共同通訊作者🫸🏻。該研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金及上海市科委項目的支持💒。

Reports on Progress in Physics是英國物理學會（IOP）的旗艦期刊，是物理領域最具權威的綜述期刊之一👨‍👧‍👧，物理類1區TOP期刊，2022年度發文量42篇🙎‍♀️。

論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/acfbeb