来自连续谱中束缚态的平带用于轨道角动量局域化

捕获扭曲的声波

想象能够把一个旋转着的声波或光波涡旋停放在材料的一个微小构件内，使其形态被固定而不再扩散。本文展示了如何通过设计特殊材料来实现这一点——对于携带轨道角动量的声波（波前呈螺旋状的扭转），设计使此类波自然静止而非传播。

为何“平能量景观”重要

在许多现代材料中，波——无论是电子、光还是声——在周期性晶格中传播，类似于池塘中的波纹。通常不同波长以不同速度传播，能量因此扩散。而在所谓的平带材料中，波的能量不再依赖于其运动：能带变得平坦。这会使波停止传播，转而局限于少数重复单元内。这样的局域化可以增强相互作用，是从非常规电子态到稳健信号存储等现象的关键。然而，到目前为止，这类紧凑束缚主要适用于相对简单的波，而不适用于具有丰富内部结构的波，例如轨道角动量（OAM）——其波前围绕轴线像小涡旋一样扭转。

从隐藏态到定制晶格

作者提出了一套通用方案来创建不仅局域化而且高度“简并”的平带，意味着许多不同的波模式共享完全相同的能量。他们从由声波导（引导声波的管道）构成的单个开放单元出发——该单元既支持会向外辐射的泄露模，也支持被称为连续体中束缚态（BICs）的特殊不泄露模。尽管这些BIC在原理上可以辐射出去，但它们仍被束缚。当此类单元重复并连接成晶格时，泄露模组合成普通的、具有色散的能带，而单元格内的每个BIC则变为完全平坦的能带，保持局限在该单元内。通过调整单元中管道与连接的数量，研究者可以设计在二维乃至三维中具有多个独立陷获模且位于相同频率的平带。

构建与测试声学晶体

为将该想法付诸现实，团队用刚性树脂3D打印了充气的声学结构。在二维版本中，每个单元格包含四个通过通道相连的谐振器，排列成方格晶格。对样品声响应的测量显示在约5千赫附近存在近乎无色散的能带，证实了四条重叠平带的存在。因为这些能带源自每个单元中四种类似BIC的模式，实验者可以通过对输入通道施加精确调节的相位来激发它们的不同组合。当四个输入同相驱动时，系统表现为一个平带滤波器：它从宽带脉冲中选出特殊的平带频率，并将声能困在一小簇谐振器中而不在晶格中扩散。

锁定扭曲声波与三维拓扑形状

该方法的真正威力在于研究者编排输入之间的相对相移。通过以持续旋转的相位驱动围绕正方形排列的四个相连谐振器——就像四只桨按顺序推动水流——他们在单个单元格内制造出携带轨道角动量的紧凑声涡旋，可顺时针或逆时针旋转。随后他们在具有十二个基于BIC模式的单元模的三维晶格中进一步推进这一概念，形成十二重简并的平带。在这个三维晶体中，他们可以沿任意选定方向（包括穿过晶格的对角线）局域化扭曲声波，甚至将多个此类局域涡旋组装成延伸的、结状的拓扑结构，呈现环面或霍普夫链环等形状，其中声场的相位在空间中以受控且量化的方式缠绕。

这对未来波技术的意义

通过展示如何设计能够在紧凑区域内储存复杂涡旋状波模式的平带材料，这项工作大大扩展了可被按需捕获和操控的波的种类。相较仅仅保持简单的驻波，这些结构能在二维和三维中捕捉并保存轨道角动量的扭曲结构。这为利用结构化声或光进行稳健信息存储与传输、基于可控涡旋的新型粒子操纵方式，以及在多种物理体系中构建高度有序且富含拓扑性的波模式的可扩展平台，打开了大门。

引用: Zhu, W., Zou, Hy., Ge, Y. et al. Flatbands from bound states in the continuum for orbital angular momentum localization. Nat Commun 17, 3065 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69669-6

关键词: 平带材料, 轨道角动量, 声学晶体, 连续体中的束缚态, 拓扑波