近日，物理学院教授伏洋洋、刘友文和苏州大学教授徐亚东等人合作，在超分辨声学位移计量方面取得了突破性进展。通过构建共轭拓扑对的创新概念，揭示了模式空间马吕斯定律的物理机制，并基于螺旋测微原理提出了一种超高精度的位移计量新范式，并成功利用工作波长为100mm的低频声波实现了1.2μm的位移超分辨（λ/105）。相关成果以“Super-resolution acoustic displacement metrology through topological pairs in orbital meta-atoms”为题在线发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。教授伏洋洋、刘友文以及苏州大学教授徐亚东为该工作的共同通讯作者，副教授陈昌东、博士生李潇为共同第一作者，讲师薛明、副教授施瑶瑶、副教授董大兴、已毕业硕士李卫冕对该工作亦做出了重要贡献。
在现代科技领域，微小位移的精密计量是众多研究和应用的基础。传统的方法主要依赖于光学技术， 然而在诸如水下环境、生物组织及复杂机械零部件检测等特定应用场景中，光学方法并非是最优选择。相比之下，声波因其高效的能量传输、极低的生物组织损耗以及卓越的穿透能力，展现出了极大的应用潜力。尽管如此，目前传统的声波位移计量方案, 比如超声脉冲回波技术，在高分辨率位移计量领域的应用面临巨大挑战。这一局限主要归因于声波的低频特性(频率通常不超过100 MHz)，远低于光学频率六个数量级，从而限制了声波的分辨能力，使之难以与光学方法相媲美。因此，实现声学超分辨的位移计量仍然是一项基础性难题。针对上述问题，类比于自旋电子中的库珀对，本工作创新性地引入了轨道超构原子中拓扑对（topological pairs ：TPs）概念，并基于此提出了一种超分辨声学位移计量的新方法，成功打破了这一限制。如图1所示，该方法利用两个耦合的轨道原子构建了一对共轭TPs，为声波在轨道角动量模式空间中提供了两条独立的传播路径。这两条路径可以累积不同的几何相位，从而实现稳定的声学马吕斯干涉效应，可以极大提高位移测量的分辨率。如图2所示，研究团队进一步结合螺旋放大原理，设计了配备螺距的轨道原子，成功制备了首个声学螺旋测微器样机，可用于微米级位移计量（表1）。该声学螺旋测微器在3.43 kHz的可听频率下，展现出了1.2微米的超高位移分辨率 (图3)，这一数值仅为入射声波波长（100毫米）的约十万分之一。
图1：共轭拓扑对的形成及其产生的声学马吕斯干涉效应。（a）轨道人工原子及其在模式空间形成共轭TPs示意图；（b）圆柱波导中入射平面波-OAM模式-出射平面波的实空间演化示意图。（c）共轭TPs的在模式空间累积相反的几何相位并产生干涉示意图。
图2：声学螺旋测微器样机设计及实现。（a）日常使用的螺旋测微器;（b） 基于螺纹轨道原子的声学螺旋测微器;（c）不同螺距声学螺旋测微器(q＝4)的干涉强度随着旋转位移的变化;（d）声学螺旋测微器(q＝4，d＝16 mm)定标函数曲线。
表1：基于轨道原子的声学螺旋测微器与日常使用的螺旋测微器的测量结果对比。
图3：声学螺旋测微器的分辨率和精度。不同螺距d＝3 mm（a），d＝10 mm（b），d＝16 mm（c）声学螺旋测微器的最佳线性区;声学螺旋测微器（d＝3 mm）的分辨率和精度：完全能分辨（d）、恰好能分辨（e）、不能分辨（f）。
本工作基于共轭TPs概念，揭示了模式空间马吕斯定律的物理新机制，设计并实现了一种超高精度的声学螺旋测微器，为声学超分辨率位移计量提供一种全新的技术方案。该方法具有设计简单、体积小巧、成本低廉以及稳定性高等优点，便于在超声频率实现器件的制造和集成，使得声学位移测量技术能够在诸如无损检测、精密制造和生物监测等相关超声应用场景中发挥价值。此外，本工作提出的TPs概念不仅在声学领域具有潜力，还可以应用于其他经典波动系统，有望为光学、冷原子系统和量子信息等领域中的计量技术发展提供重要机遇。本研究得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的支持。
论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-52593-y