近日，同济大学物理科学与工程学院祝捷教授团队和王旭教授团队在非厄米声学与水下声波调控领域取得重要研究进展。该研究利用流固耦合诱导的非局域弹性动力学效应，在水下声学超构表面中构建了投影相干完美吸收奇异点（Coherent Perfect Absorption Exceptional Point，CPA EP），揭示了宏观鲁棒性与微观敏感性在同一简并态中共存的物理机制，实现了声波完美异常偏折与全反射之间的高效切换。相关研究成果以“Projected Coherent Perfect Absorption at Exceptional Points via Nonlocal Elastodynamic Coupling”为题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），并被选为编辑推荐（Editors’Suggestion）。

奇异点（EP）是非厄米系统中的一类特殊简并态，表现出对微小扰动的高度灵敏性。然而，CPA EP作为一种特殊的EP，又表现出异常展宽的吸收谱线，意味着强鲁棒性，这似乎与EP固有的高灵敏性相矛盾。针对这一问题，研究团队设计了一种上下两侧分别具有分束和逆向反射功能的周期性超构表面。如图1所示，无流固耦合时，超构表面如同刚性屏障，上下两侧声场彼此隔离；流固耦合使弹性振动沿结构横向传播，形成跨空间非局域通道，在局部子空间诱导非厄米性并形成CPA EP。

图1、流固耦合诱导的非局域弹性动力学效应及投影CPA EP示意图

在此基础上，研究团队进一步揭示了CPA EP中灵敏性与鲁棒性共存的物理机制。如图2所示，随着流固耦合的增强，散射矩阵在投影子空间中的两个本征值逐渐演化并在复平面原点简并，形成CPA EP。通过本征值黎曼曲面及本征态相位刚度分析，研究人员验证了其非厄米拓扑特征。研究表明，同一频率扰动下的CPA EP同时呈现两种响应：本征值劈裂随失谐呈分数幂律关系（平方根），体现微观极端敏感；反射率随失谐呈高阶幂律关系（平方），体现宏观鲁棒。通常，一个系统的散射行为由散射矩阵决定，而散射矩阵又由本征空间刻画；而该研究表明CPA EP的特殊性在于二者的“分裂”——内部本征空间放大扰动，外部散射场抑制扰动。                 

图2、投影CPA EP的形成及其敏感性与鲁棒性共存的物理机制

依托团队自主搭建的水下声场测量实验平台，研究人员进一步开展了实验研究。如图3所示，当相干入射与CPA EP的本征态匹配时，流固耦合通道被充分激活，声能被高效引导至结构透射端，实现高度定向的完美异常声束偏折；而改变入射态可使系统进入CPA EP的“缺失维度”（missing dimension），使流固耦合通道完全关闭，声波表现出全反射特征。该研究为非厄米奇异态的构建及多功能水下声学器件的设计提供了新的思路。            

图3、投影CPA EP的水下声学实验验证及不同相干入射条件下的声场分布

同济大学物理科学与工程学院博士生陈静怡和上海自主智能无人系统科学中心博士生王迪为论文共同第一作者，祝捷教授和王旭教授为论文共同通讯作者。该研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/87nl-4ypz