近日，我校物電學(xué)院聲學(xué)團(tuán)隊(duì)與武漢大學(xué)劉正猷教授團(tuán)隊(duì)合作，在非厄米趨膚效應(yīng)研究中取得系列重要進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了混合階非厄米趨膚效應(yīng)，表面依賴(lài)的非厄米趨膚效應(yīng)，以及探索趨膚效應(yīng)作用于拓?fù)溥吔鐟B(tài)后產(chǎn)生的新奇現(xiàn)象。系列研究成果相繼在物理學(xué)頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters，以下簡(jiǎn)稱(chēng)PRL）發(fā)表學(xué)術(shù)論文兩篇、在物理學(xué)權(quán)威期刊《物理評(píng)論B》（Physical Review B，以下簡(jiǎn)稱(chēng)PRB）發(fā)表學(xué)術(shù)論文一篇，是我校首次以第一單位在美國(guó)物理學(xué)會(huì)旗下PRL期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文。
美國(guó)物理學(xué)會(huì)旗下Physical Review系列期刊涵蓋了從基礎(chǔ)理論到工程應(yīng)用的所有物理分支，構(gòu)成了物理學(xué)界最具權(quán)威性的期刊系列。其中，PRL被廣泛認(rèn)同為物理學(xué)最具影響力和學(xué)術(shù)聲望的頂尖期刊，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在過(guò)去四十年間，超過(guò)65%的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)成果發(fā)表于該期刊。
圖1.二維聲子晶體中混合階趨膚效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。（a）損耗誘導(dǎo)的非互易傳輸觀測(cè)。（b）正方形聲子晶體樣品。
（c）正方形聲子晶體中的角趨膚觀測(cè)。（d）菱形聲子晶體樣品。（e）菱形聲子晶體中的邊界趨膚觀測(cè)。
能譜拓?fù)浜头嵌蛎宗吥w效應(yīng)在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域備受關(guān)注，它為眾多研究方向提供了新的思路。目前，在單一系統(tǒng)中能否同時(shí)實(shí)現(xiàn)一階和高階趨膚效應(yīng)，即混合階趨膚效應(yīng)，是該領(lǐng)域有待探索的科學(xué)問(wèn)題。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在二維非互易系統(tǒng)中，同時(shí)存在一階趨膚效應(yīng)（邊界趨膚）和二階趨膚效應(yīng)（角趨膚）。該混合階趨膚效應(yīng)的拓?fù)淦鹪矗窍到y(tǒng)具有各向異性的方向能譜繞數(shù)。另外，該研究工作在非互易性的實(shí)現(xiàn)上也取得重要進(jìn)展，即利用層間贗自旋自由度與損耗的協(xié)同作用，獲得非互易耦合，避免了傳統(tǒng)有源器件實(shí)現(xiàn)非互易耦合時(shí)造成的復(fù)雜性與不穩(wěn)定性。該方案可推廣至光子、電子等其它經(jīng)典系統(tǒng)，具有廣泛適用性。研究團(tuán)隊(duì)還在聲子晶體中證實(shí)了混合階趨膚效應(yīng)的存在（圖1）。混合階趨膚效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，不僅豐富了非厄米拓?fù)湮锢恚€為新型多功能非厄米器件的設(shè)計(jì)提供了新思路。上述研究成果以“混合階非厄米趨膚效應(yīng)”（Hybrid-Order Skin Effect from Loss-Induced Nonreciprocity）為題于2025年4月在線(xiàn)發(fā)表于PRL期刊，我校聲學(xué)團(tuán)隊(duì)青年教師吳吉恩博士為第一作者，武漢大學(xué)鄧偉胤教授、陸久陽(yáng)教授、劉正猷教授為共同通訊作者，長(zhǎng)沙理工大學(xué)為第一單位。
圖2.三維聲子晶體中表面依賴(lài)的趨膚效應(yīng)觀測(cè)。（a）具有金字塔形狀的奇異線(xiàn)半金屬聲子晶體樣品。
（b）頻譜纏繞。（c）頻譜的實(shí)部。（d）-（f）面趨膚效應(yīng)測(cè)量。
除了能譜拓?fù)湟酝猓嵌蛎紫到y(tǒng)還具有波函數(shù)拓?fù)洌瑑烧吖餐纬赏暾姆嵌蛎左w-邊對(duì)應(yīng)關(guān)系。在奇異線(xiàn)半金屬中，完整的非厄米體—邊對(duì)應(yīng)關(guān)系尚未得到充分論證。研究團(tuán)隊(duì)基于奇異線(xiàn)半金屬的拓?fù)涮匦园l(fā)現(xiàn)系統(tǒng)同時(shí)具備波函數(shù)拓?fù)浜?/span>能譜拓?fù)鋬煞N特性。隨后，在三維非厄米聲子晶體中，觀測(cè)到由波函數(shù)拓?fù)浔ＷC的二維鼓膜表面態(tài)，以及由能譜拓?fù)浔ＷC的表面依賴(lài)趨膚效應(yīng)（圖2）。該工作為非厄米拓?fù)湮锢淼难芯刻峁┝酥匾睦碚撘罁?jù)，有望在聲學(xué)傳感器等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新性應(yīng)用。該成果以“聲學(xué)奇異線(xiàn)半金屬中的拓?fù)洮F(xiàn)象”（Acoustic Exceptional Line Semimetal）為題于2025年3月在線(xiàn)發(fā)表于PRL期刊，武漢大學(xué)博士生胡葉劍和我校聲學(xué)團(tuán)隊(duì)青年教師吳吉恩為共同第一作者，武漢大學(xué)鄧偉胤教授、王自昱教授、柯滿(mǎn)竹教授和劉正猷教授為共同通訊作者，長(zhǎng)沙理工大學(xué)為共同第一作者單位。
研究團(tuán)隊(duì)還圍繞二維非厄米電路系統(tǒng)中拓?fù)溥吔鐟B(tài)的能譜纏繞和編織展開(kāi)了研究，發(fā)現(xiàn)能譜纏繞（能譜拓?fù)洌┦沟猛負(fù)溥吔鐟B(tài)產(chǎn)生雙向趨膚效應(yīng)，進(jìn)而得到非厄米角態(tài)。該研究以“拓?fù)溥吔鐟B(tài)的非厄米纏繞與編織”（Non-Hermitian winding and braiding of topological boundary states）為題于2025年2月在線(xiàn)發(fā)表于PRB期刊，武漢大學(xué)博士后浦臻航、我校聲學(xué)團(tuán)隊(duì)青年教師吳吉恩和武漢大學(xué)博士生陳星宇為共同第一作者，武漢大學(xué)鄧偉胤教授、柯滿(mǎn)竹教授和劉正猷教授為共同通訊作者，長(zhǎng)沙理工大學(xué)為共同第一作者單位。
上述研究工作均得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。
據(jù)悉，我校聲學(xué)團(tuán)隊(duì)全稱(chēng)為“振動(dòng)與聲的人工微納結(jié)構(gòu)調(diào)控”科研團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)由物電學(xué)院2024年5月通過(guò)人才引進(jìn)方式組建而成，團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人為鄧科教授，目前團(tuán)隊(duì)成員包括青年教師何兆劍博士和吳吉恩博士，武漢大學(xué)劉正猷教授為團(tuán)隊(duì)特聘教授。該團(tuán)隊(duì)主要開(kāi)展人工結(jié)構(gòu)對(duì)經(jīng)典波的調(diào)控研究，旨在探索和制備各種功能性的聲學(xué)結(jié)構(gòu)或材料。同時(shí)，還對(duì)聲子晶體和電路系統(tǒng)中的新奇拓?fù)洮F(xiàn)象進(jìn)行探索和研究，包括拓?fù)溥吔鐟B(tài)、拓?fù)浣菓B(tài)、奇異點(diǎn)、非厄米趨膚效應(yīng)等。
文章鏈接：
混合階非厄米趨膚效應(yīng)：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.176601
聲學(xué)奇異線(xiàn)半金屬中的拓?fù)洮F(xiàn)象：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.116606
拓?fù)溥吔鐟B(tài)的非厄米纏繞與編織：
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.111.075123
（文、圖/何兆劍 一審/涂道勇 二審/胡林 三審/邱國(guó)良）
