用于谷非互易性的有损声子超材料

用精心驯服的损耗引导声音

工程师通常努力在导引光、声或电子的器件中避免能量损失。本研究颠覆了这一思路。作者展示了通过在特殊的声波导结构中有意增加并形状化损耗，可以使声波单向传播、附着在特定边缘，并在交叉处沿选定路径行进。这些技巧可能为声学及其它基于波的技术带来新一代的信号路由器和滤波器的灵感。

为谷自由度提供的试验场

该工作建立在“谷”这一概念之上：用两个互为镜像的能量景观点来标记波所占据的态。谷概念已被用来像高速公路的不同车道那样引导光和电子。在这里，研究团队在一种有图案的固体——称为声子超材料——中探索声波的谷自由度，这种结构由充气空腔通过细管以蜂窝排列相连。研究者没有加入电子放大器或其它有源元件，而只是通过在部分管子上打小孔并塞入吸声海绵，简单地引入了被动的损耗。

将损耗变为单向声流量

在这类定制的蜂窝结构中，围绕每个谷组织的声波根据运动方向呈现不同的寿命。在一个谷内，向左传播的声波比向右传播的声音存活得更久；在另一个谷中，偏好则相反。随着时间推移，这种不平衡会抹去不受青睐的波，只留下朝着优选方向传播的波。研究人员利用这一效应构建了谷滤波器：一种在两个有损区域之间放置无损区域的三明治结构。当他们从一侧注入混合谷类型的波时，只有与某一谷相关的波在远侧显著出现，证明器件以选择性、单向的方式传递声音。

声音在相对边缘堆积

相同的损耗利用方式也改变了声音在样品中的分布方式。许多波模式不再均匀充满内部，而成为“皮肤模态”，聚集在外边界上。值得注意的是，优选的边缘取决于谷：接近一个谷的波在样品的左上侧积聚，而接近另一个谷的波则在右下侧聚集。在有限样品中对声压场的测量证实了这种依赖谷的皮肤效应。通过把声源放在不同边界附近并分析波形如何分解为谷分量，团队展示了每条边缘都与特定的谷通道相关联。

沿界面的不对称通道

作者随后设计了超材料内部的边界，在这些边界上两个具有相反谷属性的区域相遇。在这些内部界面上，会出现被限制在边界并与特定谷相连的特殊边缘波。尽管界面两侧都由被动材料构成，但整个结构中的损耗使得一种类型界面上的边缘波寿命远长于相反类型的边缘波。在对直线界面的实验中显示，寿命较长的边缘波在两个方向上都能顺利传播，而寿命较短的对应波几乎无法传播。在一个箭头形的四通交汇处，这种对比产生了“异常光束路由”：从某一端口进入的边缘波压倒性地从单一选定端口出去，几乎在其他出口处检测不到信号。

用简单手段操控波的新工具

对非专业读者而言，主要信息是：通常令人头疼的损耗可以被转变为一种设计工具。通过在合适的位置放置小型吸音体，研究者能够控制哪些声波存活、它们依附于哪些边缘以及在交叉处采取哪些路径，所有这些都无需复杂的电子装置或运动部件。这一策略将曾经分离的两种思路联系起来：基于谷的波控制与依赖增益和损耗的非厄米效应。由此产生的器件展示了在声学系统中对信号进行分类、路由和保护的简单且稳健的方法，类似的理念也可能迁移到光学和电子技术中。

引用: Yin, S., Zhou, Q., Xi, Y. et al. Lossy phononic metamaterials for valley nonreciprocity. Nat Commun 17, 3428 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70037-7

关键词: 声子超材料, 谷子电子学, 非厄米物理, 声波控制, 拓扑边缘态