image: (a)罗马神话中的“双面神”杰纳斯。(b)倏逝波在传播介质(空气)和绝缘介质(灰色块)之间的界面上可以传播。压力场用彩虹色波表示，速度场用红色箭头表示。其近场特性可以用三个矢量物理量表示:时间平均能量流J、无功功率R和声SAM密度s。(c)三个正交向量:J (黄色)、R(蓝色)和s (绿色)在宇称-时间P ̂T ̂, 时间反演T ̂, 空间反演P ̂变换下有不同的对称性。J是P ̂反对称，T ̂反对称，但P ̂T ̂对称，R是P ̂反对称，但T ̂对称; s是P ̂对称的，但它是T ̂反对称的。空间镜像算符r→-r以及-r→r对应的是P ̂算符，时间镜像算符t→-t以及-t→t对应的是T ̂算符。(d)利用五个扬声器(单极)来实现不同的声源。(e)实验装置的照片。该梳状铝结构是一种具有有效负参数的声学超材料，支持丰富的表面近场声波模式。(f)分别对应Janus源, Huygens源和spin源的实验结果，内部插图为三种声源的远场辐射模式。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
声是人类最早研究的物理现象之一，人们一直在探寻声音中的奥秘。关于近场声学的研究也越来越引起人们的关注。作为一种常见的波动模式，近场倏逝波声场大小会随距离呈指数型下降，呈现高度的空间局域性。因其可以携带信息且具备很高的能量密度，在信息传输、无线传能、无损探测、超分辨显微成像等方向具有广阔的应用前景。但是这些需要选择性调控近场波。怎么能使近场波像远场波一样，具有高度可调的方向性和高指向性？
目前近场波的选择性调控工作大多集中在光学。声学纵波缺乏电磁横波丰富的偏振极化自由度，其深亚波长尺度的近场研究受到了诸多限制。人们还亟待解决对近场物理的对称和拓扑性质的系统性理解。最近，来自同济大学声子学与热能科学中心的任捷教授、陈鸿教授课题组和南京大学现代工学院卢明辉教授、陈延峰教授课题组通过合作，基于中科院声学所许相园博士、鲍明教授课题组研发的矢量声学探测器，领导团队在《国家科学评论》(National Science Review，NSR) 上发表研究论文“Symmetry Selective Directionality in Near-Field Acoustics”，在实验和理论上系统地揭示了近场倏逝波固有的几何及对称性质，提出了实现选择性近场纵波耦合的方案。同济大学的龙洋博士和南京大学的葛浩博士为该工作的并列第一作者。
通常波的定向输运以其类量子自旋霍尔效应为基础，利用不同的自旋或手性通过自旋动量锁定实现。该工作提出了比声自旋()更进一步的方案，Janus源和Huygens源。Janus是罗马神话中的“双面神”，头部前后各有一张面孔(图(a))。顾名思义，Janus源将选择性地只与单侧模式耦合，这种性质是近场独有。而Huygens源不论远场近场都是单向选择耦合，耦合方向垂直于Janus源。
如何在近场声学里面实现呢？对称性在物理学中占有相当重要的地位。科学家们发现近场波的动力学特性可以利用具有不同对称性的三种几何正交矢量来描述(图(b、c))：时间平均能流(Poynting vector)J ---宇称-时间对称、无功功率(Reactive power)R--时间反演对称、自旋角动量(SAM) s---空间反演对称。根据文中的声辐射理论，声源可以看作是声单极子、偶极子和四极子的叠加。所以上述三种信号源可以利用不同的声单、偶极子组合来实现，并且他们具有各自不同的对称性。
那么如何在实验上实现呢？科学家们利用了五个环形排列的扬声器，通过独立控制振幅和相位实现单偶极子任意组合，从而构建了三种声信号源(图(d))。而近场波可以利用两个相互对立的梳状表面结构 (图(e))构造。当从系统中间激发普通信号源时，声音沿着上下左右(四条支路)都会传输。但当源具有不同对称性时，结果大不相同(图(f))：Janus源选择性地耦合到单侧(上或下表面)；Huygens源激发单向(左或右半边)的表面模态；而声spin源则在对角方向上激发。这与理论预测结果吻合的非常好。此外，当不同的源激发时，声近场波中自旋角动量的对称性也得到了充分的讨论和实验验证。
“该工作为近场倏逝波的对称性研究打开了一扇新的大门，可以指导具有新奇性质的近场波源的定向设计”任捷教授介绍到，“未来希望可利用在诸如近场声音传感器，近场声显微镜材料用于缺陷分析检测、微区弹性等性能测试、实现声音信息和能量的定向输运、与纳米技术结合制造集成纳米声子器件等等。”值得注意的是，这种基于对称性分析的源设计方法也可以推广到其它波的研究领域。为各种光学、声学、力学器件的小型化，高效化，集成化的实现提供可能。
该项合作研究工作受到了国家重点研发计划，国家自然科学基金，上海市科委的资助。
原文：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa040
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National Science Review