我校物電學院聲學團隊在非厄米趨膚效應研究中取得突破性進展
近日，我校物電學院聲學團隊與武漢大學劉正猷教授團隊合作，在非厄米趨膚效應研究中取得突破性進展，發現并證實了混合階非厄米趨膚效應，表面依賴的非厄米趨膚效應，以及探索趨膚效應作用于拓撲邊界態后產生的新奇現象。系列研究成果相繼在物理學頂級期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters，以下簡稱PRL）發表學術論文兩篇、在物理學權威期刊《物理評論B》（Physical Review B，以下簡稱PRB）發表學術論文一篇，是我校首次以第一單位在美國物理學會旗下PRL期刊上發表學術論文。
美國物理學會旗下 Physical Review系列期刊涵蓋了從基礎理論到工程應用的所有物理分支，構成了物理學界最具權威性的期刊系列。其中，PRL 被廣泛認同為物理學最具影響力和學術聲望的頂尖期刊，據統計，在過去四十年間，超過65%的諾貝爾物理學獎成果發表于該期刊。
圖1. 二維聲子晶體中混合階趨膚效應的實驗觀測。（a）損耗誘導的非互易傳輸觀測。（b）正方形聲子晶體樣品。（c）正方形聲子晶體中的角趨膚觀測。（d）菱形聲子晶體樣品。（e）菱形聲子晶體中的邊界趨膚觀測。
能譜拓撲和非厄米趨膚效應在凝聚態物理領域備受關注，它為眾多研究方向提供了新的思路。目前，在單一系統中能否同時實現一階和高階趨膚效應，即混合階趨膚效應，是該領域有待探索的科學問題。研究團隊發現，在二維非互易系統中，同時存在一階趨膚效應（邊界趨膚）和二階趨膚效應（角趨膚）。該混合階趨膚效應的拓撲起源，是系統具有各向異性的方向能譜繞數。另外，該研究工作在非互易性的實現上也取得突破，即利用層間贗自旋自由度與損耗的協同作用，獲得非互易耦合，避免了傳統有源器件實現非互易耦合時造成的復雜性與不穩定性。該方案可推廣至光子、電子等其它經典系統，具有廣泛適用性。研究團隊還在聲子晶體中證實了混合階趨膚效應的存在（圖1）。混合階趨膚效應的發現，不僅豐富了非厄米拓撲物理，還為新型多功能非厄米器件的設計提供了新思路。上述研究成果以“混合階非厄米趨膚效應”（Hybrid-Order Skin Effect from Loss-Induced Nonreciprocity）為題于2025年4月在線發表于PRL期刊，我校聲學團隊青年教師吳吉恩博士為第一作者，武漢大學鄧偉胤教授、陸久陽教授、劉正猷教授為共同通訊作者，長沙理工大學為第一單位。
圖2. 三維聲子晶體中表面依賴的趨膚效應觀測。（a）具有金字塔形狀的奇異線半金屬聲子晶體樣品。（b）頻譜纏繞。（c）頻譜的實部。（d）-（f）面趨膚效應測量。
除了能譜拓撲以外，非厄米系統還具有波函數拓撲，兩者共同形成完整的非厄米體-邊對應關系。在奇異線半金屬中，完整的非厄米體-邊對應關系尚未得到充分論證。研究團隊基于奇異線半金屬的拓撲特性發現系統同時具備波函數拓撲和能譜拓撲兩種特性。隨后，在三維非厄米聲子晶體中，觀測到由波函數拓撲保證的二維鼓膜表面態，以及由能譜拓撲保證的表面依賴趨膚效應（圖2）。該工作為非厄米拓撲物理的研究提供了重要的理論依據，有望在聲學傳感器等領域實現創新性應用。該成果以“聲學奇異線半金屬中的拓撲現象”（Acoustic Exceptional Line Semimetal）為題于2025年3月在線發表于PRL期刊，武漢大學博士生胡葉劍和我校聲學團隊青年教師吳吉恩為共同第一作者，武漢大學鄧偉胤教授、王自昱教授、柯滿竹教授和劉正猷教授為共同通訊作者，長沙理工大學為共同第一作者單位。
研究團隊還圍繞二維非厄米電路系統中拓撲邊界態的能譜纏繞和編織展開了研究，發現能譜纏繞（能譜拓撲）使得拓撲邊界態產生雙向趨膚效應，進而得到非厄米角態。該研究以“拓撲邊界態的非厄米纏繞與編織”（Non-Hermitian winding and braiding of topological boundary states）為題于2025年2月在線發表于PRB期刊，武漢大學博士后浦臻航、我校聲學團隊青年教師吳吉恩和武漢大學博士生陳星宇為共同第一作者，武漢大學鄧偉胤教授、柯滿竹教授和劉正猷教授為共同通訊作者，長沙理工大學為共同第一作者單位。
上述研究工作均得到了國家自然科學基金項目的支持。
據悉，我校聲學團隊全稱為“振動與聲的人工微納結構調控”科研團隊，該團隊由物電學院2024年5月通過人才引進方式組建而成，團隊負責人為鄧科教授，目前團隊成員包括青年教師何兆劍博士和吳吉恩博士，武漢大學劉正猷教授為團隊特聘教授。該團隊主要開展人工結構對經典波的調控研究，旨在探索和制備各種功能性的聲學結構或材料。同時，還對聲子晶體和電路系統中的新奇拓撲現象進行探索和研究，包括拓撲邊界態、拓撲角態、奇異點、非厄米趨膚效應等。
文章鏈接：
混合階非厄米趨膚效應：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.176601
聲學奇異線半金屬中的拓撲現象：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.116606
拓撲邊界態的非厄米纏繞與編織：
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.111.075123
（文/圖 何兆劍 一審/張冬 二審/劉斯 三審/張國強）