我校物理学院声学研究所、近代声学教育部重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心梁彬教授、程建春教授课题组及现代工学院陆延青教授课题组与合作者在声学非互易操控研究方面取得重要进展，提出了实现声学合成磁场的新机制，设计并实验构建了具有动态耦合特性的声学共振体系，首次实现了具有高隔离度、高正向传输率、高保真度以及功率无依赖等优异特性的声波单向传输。

对于带电粒子而言，外加磁场能够有效打破系统的时间反演对称性（Time reversal symmetry），并实现量子霍尔效应（Quantum Hall effect）、阿哈罗诺夫—玻姆效应（Aharonov-Bohm effect）等非互易传输现象。但经典波系统中的声子和光子均属于电中性粒子，无法直接与磁场发生相互作用。为了实现对经典波的非互易操控，人们提出了合成磁场（Synthetic magnetism）的概念，即通过设计含时调制相位来打破时间反演对称性，并实现声波或电磁波的单向传输。在过去十几年中，通过电光调制、声光耦合等手段，光波的合成磁场及非互易的光波操控得以实现。然而，由于声学体系与光学体系的本质区别及声学含时调制的难度，如何设计声波的合成磁场并有效实现声波的非互易操控仍然是一个难题。

课题组基于前期在声学时空调制方面的研究积累[Sci. Adv. 7, eabj1198 (2021)]，将声波的含时调制从超表面系统拓展到耦合共振腔系统，提出了一种基于合成磁场的声波单向耦合器件。理论模型如图1所示，共振频率相同的A腔和C腔之间由具有互易相位φ_static的静态耦合κ_AC直接相连，并经过具有共振频率差Ω的B腔由两个动态耦合κ_AB(t)和κ_BC(t)间接相连。在特定条件下，两个动态耦合的初始相位φ₁和φ₂构成合成磁场，打破系统互易性，并与静态耦合进行干涉，最终实现能量的单向传输（如蓝色和红色箭头所示）。

图1 基于合成磁场的单向耦合腔模型。

为了实验验证该理论设计，基于双向反馈电路构造了声学腔之间的等效耦合。如图2所示，通过设计耦合电路的连接方式（同相或反相连接），等效耦合可以在正值和负值之间切换，并改变A和B腔之间的声波相位差。

图2基于反馈电路的等效声耦合。(a)实验设计的等效声耦合由探测A（B）腔声信号并输入给B（A）腔的双向反馈电路实现。(b)耦合打开（蓝色）或断开（红色）时A腔的激发谱线。(c)反馈电路同相（红色）或反相（蓝色）连接时A和B两腔的声波相位差。

进一步，我们给等效耦合引入含时调制，并验证该时变耦合在频率失谐腔之间的声波频率转化特性。如图3所示，通过在耦合电路中引入双刀双掷开关并设置其时变频率为A、B两腔的频率差Ω，A腔在共振频率附近的声波（ω = ω_A）能够有效耦合到B腔并变频为ω_B。

图3 基于动态耦合的频率转换特性。(a)通过运用电控开关，在失谐腔之间构造时变耦合κ(t)。(b-d)从A腔激发，不同耦合强度下A和B腔的声压谱线。(c)显示动态耦合幅值Δk/2π ≈ 9Hz时，从A传播到B腔的声压幅值达到最大值。

当三腔系统中的静态耦合和动态耦合同时打开时，运用旋转波近似（Rotating wave approximation）的方法，理论推导了A、C两腔之间正向（A到C）和反向（C到A）的传播系数表达式，并给出了实现非互易耦合的参数要求，典型理论结果如图4(a-b)所示。作为实验验证，设动态耦合相位差Δφ = π/2，静态耦合强度为k_AC/2π = 3Hz，动态耦合强度为Δk/2π = 7.5Hz，分别从正向和反向对系统进行激发。如图4(c-f)所示，通过静态耦合和动态耦合的干涉叠加，我们在ω = ω_A附近实现了45dB的高隔离度和0.85的高正向透射率。

图4 非互易的声能量传输。(a-b)当激发频率设为ω = ω_A，动态耦合相位差为Δφ = π/2时，理论计算A、C两腔之间的隔离度和正向传输率|S_CA|随静态耦合κ_AC和动态耦合幅值Δκ的关系。红星标记为实验用耦合参数。(c-d)实验测量只有静态耦合（黑色）或动态耦合时的正向（蓝色）和反向（红色）透射声压和相位差。(e)同时打开动态耦合和静态耦合时正向（蓝色）和反向（红色）的透射声压。(f)显示A、C两腔之间的隔离度达45 dB，正向透射率达0.85。

本工作提出了在声学耦合腔系统中实现时变耦合的新机制，通过设计声学合成磁场，首次实现了具有隔离度大、正向传输率高、始末态频率不变和隔离方向可电控等重要特性的单向声传输。这项研究突破了现有声波单向操控机制在效率、隔离度及保真度等方面的局限，并为实现弗洛奎和非线性声学拓扑绝缘体提供了新途径。

研究成果以"Sound non-reciprocity with synthetic magnetism" 为题发表在《Science Bulletin》上。37000cm威尼斯博士后陈召宪为文章第一作者，37000cm威尼斯梁彬教授、陆延青教授、程建春教授和纽约城市大学Andrea Alù教授为共同通讯作者。该项工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、37000cm威尼斯登峰人才计划、江苏高校优势学科建设工程项目和中国博士后科研基金等项目支持。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.08.013