近日，37000cm威尼斯物理学院声学研究所刘晓峻教授和程营教授课题组在非厄米声学研究领域取得了重要进展。他们首次实验实现了声学体系中的反宇称-时间（APT）对称态，并研究了拓扑缺陷态的声局域模式随宇称-时间（PT）对称相变的变化规律。

PT对称性是指在空间反演（Parity）和时间反演（Time）算符联合作用下保持对称的性质，而APT对称性则是指系统在PT联合算符作用下保持反对称的性质。相关理论不仅揭示了新颖的量子物态, 还促进了光学、声学等经典波动场调控技术的发展。然而，构建APT对称相态需要引入高强度的非厄米因子。在声学系统中，由于受到声天然增益介质的缺失限制，如何实现声学APT对称相态并观测不同PT对称相下声拓扑态的能量局域特性仍然是亟待解决的关键问题。

在本工作中，研究人员将增益和损耗非厄米因子引入到声学Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型中。通过理论推导，发现非厄米因子的强度可以调控系统的PT对称性。如图1所示，当引入的非厄米强度较小时，系统处于PT对称相态；随着非厄米强度增加，系统进入PT对称破缺相态；而当非厄米强度进一步增加后，系统转而进入APT对称相态。

为了实验验证上述PT对称相态的转变过程，需要在声学系统中引入较大幅度的非厄米调制。为此，研究人员将声增益和声衰减类比为声学集中参数模型中的额外声阻抗，并利用电控碳纳米管（CNT）薄膜的热声效应成功构造了声学系统中的等效增益和损耗基元。在图2所示的具体实验中，研究人员在声学耦合共振腔体的顶盖上涂覆了CNT薄膜，并将其连接到一个预编程电路板。通过精确调节输入电流信号的幅度和相位，成功实现了对声学系统非厄米因子的动态调控。然后，构建了一维有限长的非厄米SSH声子晶体链，通过逐步增加非厄米强度，探测声子晶体色散曲线，实验观测到了系统在不同PT对称相态之间的转变过程。

此外，研究人员还研究了声学非厄米SSH晶格中的拓扑缺陷态。如图3所示，他们通过在非厄米声子晶体晶格中引入一个缺陷位点，从理论和实验两个层面研究了拓扑缺陷态与PT对称性的关联。研究发现，拓扑缺陷态存在于PT对称相态下，在PT对称破缺相态中消失，然而在APT对称相态下重新出现。进一步的研究表明，在处于PT对称相态和APT对称相态时，拓扑缺陷态对应的声能量呈现出截然不同的局域模式。

该工作首次将声学拓扑效应研究扩展至APT对称相态，成功实现了非厄米声学系统中不同PT对称相之间的转变。这为结合非厄米特性和拓扑效应的声场调控理论及其在高灵敏度声传感、高强度定向声辐射等领域应用提供了新的思路。相关研究成果以《Anti-Parity-Time Symmetry in a Su-Schrieffer-Heeger Sonic Lattice》为题作为编辑推荐（Editors’ Suggestion）亮点论文于2023年8月7日发表在国际物理学顶级期刊Physical Review Letters (https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.066601)上。37000cm威尼斯是第一作者单位和第一通讯单位，物理学院22届博士毕业生胡博伦为第一作者，张志旺助理教授、程营教授、刘晓峻教授及西班牙马德里材料研究所Johan Christensen研究员为共同通讯作者。该项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、中央高校基本科研业务费原创交叉项目和37000cm威尼斯“紫金学者”人才基金的支持。

图1：非厄米SSH声子晶体链中的PT对称相变过程。

图2：实验观测PT对称相变过程。

图3：不同PT对称相下的非厄米拓扑缺陷态声场测量。