特邀综述 | 声学超构材料及其物理效应的研究进展

文章信息

声学超构材料及其物理效应的研究进展

Research advances in acoustic metamaterials

田源, 葛浩, 卢明辉, 陈延峰

物理学报. 2019, 68 (19): 194301

背景介绍

作为现代科学的重要分支，声学是研究声波的产生、传播与探测的一门科学，它不仅与航空航天、国防、医疗等领域密切相关，也与我们的生活密不可分。实现简单高效的声波调控是声学研究的首要目标。然而，普通天然材料的声学属性通常存在一些限制，如无法通过小尺寸结构调控低频的声波，因此人们迫切需要一种可以有效调控声波传播的人工材料。通过人工地设计材料的结构，可以使其具有更复杂的性质，实现更奇异的功能。声学超构材料就是设计实现这种材料的一个材料前沿领域，其核心是利用人工结构声学复合材料实现对声波的有效调控。

在过去十多年，声学超构材料在多个领域迅猛发展，为调控声波提供了新途径，具有重要的理论意义和应用价值。作为一种人工设计的材料，超构材料通常由人工设计特殊排布的结构单元组成，并具有新颖奇特的声学响应性质。例如，声子晶体作为一类重要的超构材料，它与微观的晶体结构类似，同样具有能带结构，基于能带调控，可有效操纵声波。具有亚波长尺度的共振单元能够引起局域共振效应，表现出特殊的声学性质。另外，随着“拓扑”概念的发展，声学超构材料由于其设计自由度高，可实现电子系统中难以实现的拓扑效应。声学超构材料这一领域在过去十多年得到了快速的发展，向我们呈现出众多新颖奇特的性质，为调控声波提供了新的方式，该研究具有重要的理论意义和实用价值。

文章导读

《物理学报》2019年第19期特邀综述栏目刊登了南京大学陈延峰教授、卢明辉教授团队的综述文章“声学超构材料及其物理效应的研究进展”，全面综述了近年来声学超构材料的研究概况，介绍了该领域代表性的相关工作，包括奇异声学参数的超构材料、声学超构表面、吸声超构材料、声学超分辨成像、宇称时间对称性声学和拓扑声学等，阐述了声学超构材料的设计理念和方法，并对其技术挑战和应用前景进行了讨论和总结。

图1 弹性模量ρ和体弹性模量K的参数空间图

(a) 负质量密度超构材料；(b) 天然材料；(c) 双负超构材料；(d) 负体弹性模量超构材料。

图2 拓扑声子晶体

(a) 引入环流的声学陈绝缘体；(b) 基于模式杂化的声学拓扑绝缘体；(c) 引入滑移对称性的三维拓扑声子晶体。

声学超构材料突破了传统材料的束缚，极大地拓展了自然界中现有材料的声学属性，为调控声波带来了全新的自由度。声学超材料表现出的奇特新颖的物理现象和原理可以应用于工业生产的隔声降噪减振、声无损检测、生物医疗、通讯器件、声水下探测等领域。声子晶体为研究复杂的凝聚态理论提供了新的平台。拓扑材料具有鲁棒性的边界态，其有着缺陷免疫、背散射抑制的特性，具有重要的研究意义。

此外，声学超构材料的设计理念同样对光学超构材料、电磁超构材料、弹性力学超构材料、热学超构材料等研究具有启发意义。随着更加深入的研究，相信会有更多创新实用的内容展现在我们面前。

目前，声学超构材料领域正在如火如荼地发展，但该领域仍然存在许多挑战等待人们去解决。例如，伴随着共振效应的较窄工作带宽以及材料的固有损耗是超构材料面向应用的限制因素。为了解决这个不利因素，一种设计思路是集成多个不同的共振单元，但这种方法会增加结构的尺寸。另一种设计思路是引入额外的物理场 (如电场、磁场) 来设计主动式的声学超构材料。这种主动式的超构材料根据需求灵活地调控声波，也是声学超构材料的一种发展趋势。另一方面，声学超构材料得益于先进的机械制造和材料加工技术。近年来，增材制造技术 (如3D 打印) 的技术进步同样促进了声学超构材料领域的发展，其材料、加工尺寸及精度非常适合空气声超构材料。高频的弹性波超构材料就需要更高精度的微纳加工技术。此外，水下超构材料的研究是一项相当有挑战性的工作，它具有重要的应用价值，可以用于水下声学和医学超声成像等领域。由于水和固体材料之间的低阻抗比 (相比空气和固体材料)，这导致大量的入射声能会耦合至固体材料中。解决这一问题需要新的设计方案和进一步的深入研究。

综上所述，声学超构材料是操纵声场、调控声波强有力的工具，为声学这一经典学科注入了新鲜的血液，由它带来的新奇物理效应有望应用于新型的声学功能器件，它的研究具有重要的理论意义和实用价值。在未来，相信声学超构材料可以做到实用化和产业化，为我国的现代化建设提供先进的技术支持和产品支撑。

作者介绍

卢明辉，男，1979年生。2002年毕业于南京大学材料科学与工程系，2007年南京大学材料科学与工程系材料物理学博士。现任南京大学现代工程与应用科学学院教授，南京大学光声超构材料研究院院长，中国材料协会超材料分会常务理事，中国声学学会物理声学分会委员，中国仪器仪表协会显微镜分会委员。主要研究领域是人工结构材料的物理效应和器件性能，在973计划，重点研发专项和量子调控重大计划的支持下，已发表SCI论文160余篇，包括Nature Materials, Science, Nature Physics, Nature Communications, PNAS 和 PRL 等期刊论文多篇。作为第一发明人申请中国发明专利 20 余项，获授权美国专利1项。研究成果“在声子晶体中实现声波双负折射”入选“2007年度中国基础研究十大新闻”。作为第二完成人获得 2015 年国家自然科学二等奖。

文献链接：

http://wulixb.iphy.ac.cn/CN/abstract/abstract74791.shtml

文章来源：物理学报

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两江科技评论编辑部

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