利用激光诱导热声学实验观测非厄米相变

将光转化为声的控制

想象一下像我们在光纤中精确操控光那样操纵声音——让声音在一侧消失，在另一侧回荡，甚至按需扭成漩涡形状。本文展示了一种由激光加热的碳纳米管超薄薄膜可以实现的正是这种能力，构建出一种新的声学器件，其中声音的衰减与放大被精细平衡。这项工作为更安静的传感器、先进成像以及能够以普通扬声器和麦克风无法实现方式处理信息的紧凑声学电路开辟了道路。

为什么损耗与增益的平衡很重要

在许多物理系统中，包括处理光与声的系统，能量通常会流失。但在过去几十年里，研究者发现如果将能量损耗与能量增益谨慎平衡，会出现奇异而有用的行为。这类系统称为非厄米系统，能够达到一些特定的工作点，在那里波动呈现出不寻常的表现——例如物体从一侧对波是不可见的但从另一侧却具有反射性，或是在条件发生微小变化时产生巨大的响应。直到目前，要在声学中实现这些效应仍然困难，尤其是在尝试将两种互为镜像的行为——PT 对称与反 PT（anti-PT）对称——在同一声学器件中结合时。

作为“隐形”声源的激光加热纳米管

这项工作中的关键创新是以一种无需体积庞大机械装置的方式赋予声音可控的放大。研究者使用激光诱导热声学：短脉冲激光以极快的速度加热超薄碳纳米管薄膜，使周围空气膨胀并产生声波。由于薄膜极为薄弱，当激光关闭时，它对通过的声波几乎是“隐形”的，使声波几乎不受扰动地通过。激光开启时，薄膜表现为一个可调的声源，向声场输入能量。通过将该增益元件与一段狭窄管道内的普通有损海绵配对——该管道用于引导声波——团队创造了一个紧凑的构件，在其中可以精确调节损耗与增益之间的相互作用。

塑造单向与双向散射

为理解这个微小单元如何影响声音，作者追踪了来自任一侧的波的反射与透射情况。通过改变海绵与纳米管薄膜之间的距离并调整由激光驱动的增益，他们将系统引导到数个不同的工作区间。在某些情况下，从有损一侧入射的声音几乎完全透过而没有回波，而从相反一侧则仍强烈反射。在第二种配置中，情况相反，“隐形”一侧发生了切换。在另一个设定中，来自两侧的反射强度相等但在相位上互为镜像，透射声波则为纯实值并在两个方向上相同。这三种工作区间对应不同类型的非厄米相变，包括难以实现的反 PT 情形，并由称为奇异点（exceptional points）的特殊工作条件所标定。

旋转波束与扭曲的声音

除了直线、类平面波之外，团队还设计了携带轨道角动量的声束——所谓的声学涡旋束，其压强分布围绕中心芯旋转，类似微小的龙卷。在纳米管薄膜上旋转激光光斑，通过让被加热的区域以及由此产生的声源以比热扩散快得多的速度描绘圆周，从而产生这些束流。这种连续的、无接触的方法在圆柱形管内产生了干净而稳定的涡旋束。当这些旋转束流通过位于精确选定工作点的相同损耗–增益单元时，系统能够翻转束流的“扭转”，即有效地反转其拓扑荷，并且根据束流是从损耗侧还是增益侧入射，翻转的表现会不同。

从奇异物理到未来声学器件

用通俗的话说，这项研究展示了如何将几乎“隐形”的激光驱动薄膜与一块简单的海绵结合，使声音以高度选择性和方向性方式表现——有时自由通过、有时被反射、有时被扭曲，所有这些都由光来控制。通过在单一声学平台上统一 PT 与反 PT 行为并将其扩展到结构化波束，这项工作为下一代声学器件提供了灵活的设计方案。这些器件可能包括超灵敏传感器、紧凑的声学芯片以及可以以传统扬声器和麦克风无法实现的方式路由或滤波音频和超声波的拓扑声学元件。

引用: Zhang, H., Fan, R., Xiong, W. et al. Experimental observation of non-Hermitian phase transitions using laser-induced thermoacoustics. Nat Commun 17, 3236 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69986-w

关键词: 激光诱导热声学, 非厄米声学, 奇偶-时间对称性, 声学涡旋束, 碳纳米管薄膜