发布时间：2022-12-15
近日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了同济大学物理科学与工程学院祝捷教授团队及其合作者的研究论文“Transient Non-Hermitian Skin Effect”。非厄米声学系统中增益调制往往很难构造，为呈现许多反常的声波波动现象、厘清其中的物理图像带来了一定的困难。也因此，通常认为在被动系统中仅能激发衰减的模态，而观测不到放大的模态。该工作则打破这一约束，引入复频率激发的手段，通过声波和真实的损耗相互作用来产生暂态的“虚拟增益”和损耗效果，并在无源被动声学系统中完整地观测了非厄米趋肤效应导致的奇异现象。该方案也有希望用于研究更加复杂的非厄米物理模型，并推广到其他波动体系。
图1 a引入背景损耗的Hatano-Nelson模型，b数值计算的本征频率和本征模态分布，c构造的只含有损耗调制的一维声学环形腔系统，d暂态非厄米趋肤效应随时间的演化过程
Hatano-Nelson模型是研究非厄米趋肤效应的最小模型，需要引入非互易的耦合实现。通过引入增益及损耗可实现非互易传输，从而获得趋肤效应中的放大和衰减模态。但自然材料本身不具有声学增益特性，而纯损耗体系通常被认为仅具有衰减模态，如何仅利用声学损耗实现具有放大模态的趋肤效应具有重要的物理及应用价值。团队通过研究发现，在纯损耗体系，通过巧妙设计激发方式，可同时激发出趋肤效应的放大和衰减模态。首先通过施加一个全局的损耗偏置（图1a），将系统的本征频率调整为虚部都是负数，对应于一个完全损耗的系统。该理论模型在开放边界条件和周期性边界条件下的本征频率和本征模态分布（图1b）从理论上证明了趋肤效应的存在。在此基础上，精心设计了声学环形耦合腔系统，并在耦合环中施加不同的损耗调制（图1c中的绿框和黄框所示）等效地引入非对称的耦合。通过控制复频率激发的调制幅度和施加的损耗调制进行比较，产生虚拟的增益和损耗的效果。进而可以对某一特定模态（正旋或反旋），从结构两边分别激发，严格观测到声学趋肤效应。在实验中，我们观测了该现象从建立到稳定的完整时间演化过程（图1d）。t=8.5ms时，可看出暂态的非厄米趋肤效应已经建立，并保持到t=9.5ms时刻。
祝捷教授团队成员、物理科学与工程学院助理教授顾仲明博士为论文第一作者，同济大学物理科学与工程学院祝捷教授、新加坡南洋理工大学薛昊冉博士以及祝捷教授团队博士毕业生、香港理工大学郜贺博士为论文的共同通讯作者。香港科技大学李赞恒教授和香港理工大学苏众庆教授也对论文工作作出重要贡献。该工作获得了中央高校基本科研业务费和香港研究资助局卓越领域计划(AoE)项目的支持。
今年以来，祝捷教授团队克服疫情影响，积极开展国内外学术交流与合作，已在Nature Communications发表学术论文2篇，在Physical Review Letters发表学术论文2篇，在Science Bulletin发表学术论文1篇等，取得了丰硕的研究成果。
