近期，我院广东省量子调控工程与材料重点实验室顾敏副教授课题组与同济大学物理科学与工程学院声学研究所李勇教授课题组合作，通过将旋转多普勒效应与无源超表面结合，实现了基于拓扑束演化的非互易声隔离。利用多普勒效应的转动自由度，将非互易的研究对象从平面波扩展到具有拓扑束的声束中，并且隔离和传播分别受正、负旋转方向和速度控制。受益于机械旋转，研究人员实现了拓扑束在传播和隔离之间快速且灵活的演变。相关研究成果10月5日以“Acoustic topological beam nonreciprocity via the rotational Doppler effect”为题在Science子刊《Science Advances》上在线发表。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq4451。

互易性是波动物理中最基本的原理之一，在电磁学、光学和声学都有所体现。值的注意的是，互易传播所描述的是当激励端口与观测端口互换位置时，响应并不因互换而发生改变。这意味着这种特殊的传输特性与时间反演对称性密切相关。然而打破这种双向传输特性实现单向传输在许多应用中发挥着至关重要的作用。

光学中，Allen于1992年提出了一种相位分布为exp(imθ)且与自旋无关的偏振光束。同时每个光子携带“mħ”轨道角动量(OAM)，其中m为轨道角动量量子数，即拓扑电荷(TC)。这种带有OAM的光束也被称为涡旋光束(VB)。由于其具有螺旋的转动特性，我们注意到，当观测者与VB同向或反向旋转时，实际观测到的VB与静态条件下的VB相比存在频移。相比之下，这种独特的性质与线性多普勒效应具有相似的物理特点。不同的是，线性多普勒效应是由笛卡尔坐标系下的线性运动引起，而动态VB下的偏差则是由极坐标系下的线性运动引起。因此，它也被称为旋转多普勒效应(RDE)。但是这种独有特征应该如何利用却成为了一个疑问。

研究团队探究了RDE与非互易的物理机制，提出利用有源控制使轴向波数发生改变，并实现拓扑束的非互易演变，最终将整个系统分为三种状态(图1)。当平面波通过静止且可产生涡旋束的无源超表面时，受无源超表面的影响，在透射端口处将产生具有确定TC的VB。此时，轴向波数k_z1将会从k₀演变至传播平面内，并满足。随着有源控制的引入(机械旋转的启动)，RDE将被引入至系统之中。受到转动速度与转动方向的影响，系统将表现出频移、波数和能流的改变，并且传播波数k_z将实现从传播平面到隔离平面的灵活演变。

广东省量子调控工程与材料重点实验室为论文第一完成单位，我院20级硕士生王泉森、同济大学博士生周志凌和我院刘冬梅副教授为该工作的共同第一作者，同济大学博士生丁华参与了部分工作，顾敏副教授和李勇教授为论文的共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金青年项目、广东省自然科学基金面上项目、上海市科委基础研究领域项目和广东省量子调控工程与材料重点实验室的资助。

图一 旋转多普勒效应调控原理示意图

图二 《Science Advances》论文首页