近日，物理科学与工程学院声学研究所李勇教授团队以同济大学为第一单位在国际著名综述期刊《物理学进展报告》（Reports on Progress in Physics）第86卷第11期上发表综述论文“Non-local and non-Hermitian acoustic metasurfaces”。

声波是一种经典波，在我们感知世界的过程中起着至关重要的作用。因此，任意操纵声波的能力一直是人们追求的目标。虽然对声波的操纵可以追溯到几个世纪前，但对天然材料的依赖限制了这一方向的发展。声学超材料的出现解决了这一限制，局域共振极大地增强了波与物质的相互作用，使小尺寸的材料能够调控大波长的声波。其中声学超表面作为声学功能材料的研究前沿，在过去十年中取得了长足的发展。

然而，传统声学超表面的设计仍然受到其潜在物理机理的限制。传统超表面的设计过程中认为元胞内的单元之间是解耦的，因此对元胞单元采取独立设计的方法。然而，由于衍射的存在，波场的非局域性会强烈地影响超表面的效率，甚至改变超表面的波场操控行为（图1）。因此在超表面设计中考虑胞内单元的相互作用，基于此实现的非局域超表面可以极大提高声学超表面调控声波的效率。

图1.（a）正入射条件下胞内单元独立设计的梯度相位超表面的反射效率与反射角的关系，梯度相位超表面在正入射条件下反射角度从（b）15°，（c）30°，（d）45°的声场分布表明梯度相位超表面受传统局域设计影响效率随着反射角度的增大而减小。

此外，传统的声学超表面通常被近似为无损系统。然而，由于声学超表面的超构单元的复杂构型，由此产生的狭窄区域所导致的热粘性损耗是不可忽略的。在传统的设计思路中会通过控制结构参数尽量避免狭窄区域来减少损耗的影响。但随着声学超表面的发展，一种反直觉的设计方式已经出现，那就是利用非厄米特性来增加声学系统调控声波的自由度（图2）。

图2.（a）厄米声学双腔系统的特征频率与腔体耦合之间的关系。（b）非厄米声学双腔系统在腔体耦合一定的情况下特征频率与腔体内增益和损耗之间的关系。随着非厄米特性的引入声学系统拥有了更丰富的可调性。

非局域与非厄米特性的引入为使用声学超表面进行声波操控提供了新的途径。文章进一步概述了非局域和非厄米之间的协同作用，以及由此延伸发展出的基于非局域耦合原理构建的宽带吸声体。将非局域特性引入吸声系统可为调控宽带声波提供新的思路，让轻薄宽带吸声体设计成为可能（图3）。

图3.非局域耦合宽带吸声体，通过非局域耦合25个弱吸声单元实现350Hz-480Hz范围内阻抗的匹配以完成高效吸声(平均吸声系数0.93)。

此外，文章讨论了使用非局域和非厄米声学超表面作为研究奇异点(Exceptional Points)的新平台的发展潜力（图4）。不同于传统奇异点，文章还探讨非局域和非厄米协同作用下的特殊奇异点，一种极致的非对称传输现象。

图4.非局域和非厄米声学超表面实现高阶奇异点(Exceptional Points)的示意图，声学超表面支持正入射，左入射，右入射三个通道，在高阶奇异点(Exceptional Points)处左入射通道声波发生异常反射，正入射和右入射通道的入射声波被完美吸收。

最后，文章展望了非局域和非厄米声学超表面在拓扑声学、声学传感器件、声学散射体、人工智能声学材料、主动可调谐声学器件和非线性声学超材料等新兴研究领域的未来应用。

物理科学与工程学院王旭副教授和2019级直博生董睿智为论文共同第一作者，李勇教授和宾州州立大学景云教授为共同通讯作者。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金及上海市科委项目的支持。

Reports on Progress in Physics是英国物理学会（IOP）的旗舰期刊，是物理领域最具权威的综述期刊之一，物理类1区TOP期刊，2022年度发文量42篇。

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/acfbeb