物理学院祝雪丰团队在超高像素多功能声全息和时变绝热系统拓扑不变量测量等方面取得重要进展-华中科技大学新闻网

物理学院祝雪丰团队在超高像素多功能声全息和时变绝热系统拓扑不变量测量等方面取得重要进展

发布时间：2025.04.11

来源：物理学院 编辑：张雯怡 浏览次数：330

新闻网讯 3月23日，物理学院祝雪丰教授团队联合中国科学院深圳先进技术研究院郑海荣院士团队，提出了一种利用高像素二进制超表面在水下实现了三维多功能高分辨声全息的新技术。该超构表面可以同时支持多频率和多深度的编码，极大提高了振幅型全息超表面的信息容量，相关成果以“High-Resolution Manifold Acoustic Holography Based on High-Pixel-Array Binary Metasurfaces”为题发表在Advanced Materials上，并被选为封面文章（inside back cover）。物理学院博士生曾龙生、林梓彬、深圳先进院李宗霖博士后和杨晔副研究员为论文的共同第一作者。物理学院祝雪丰教授和彭玉桂副教授、深圳先进院马腾研究员和郑海荣院士为论文共同通讯作者，华中科技大学为论文第一完成单位。

随着超材料与全息技术的快速发展，研究人员提出了更为复杂的波前调制方式，从而在目标成像面上实现了二维复杂波场的图案化重建，甚至发展出三维全息成像。在本研究中，研究团队提出了一种基于高像素二进制超表面实现高分辨多维声全息的通用方法，即采用前向优化策略和角谱法计算声波在目标成像面上的场分布。通过遗传算法，团队比较像平面与目标面上的声场分布，反复迭代直至收敛。本方法将源面上的振幅离散为一系列“0”与“1”元素，无需将相位分布映射为振幅分布，从而提升全息图的质量。如图1所示，将不同全息图案编码到不同深度的像平面上，可以实现同一频率多深度全息。团队所设计出的高像素全息超表面采用皮秒紫外激光加工技术（波长 355 nm，脉宽 < 8 ps）制备得到，加工精度高达 10μm。

图1. 同一频率双深度声全息实现

研究团队还展示了所提出的振幅型全息超表面对复杂图案的重构能力。选取被花瓣环绕的物理学院院徽作为目标图案(图2)，由于该图案包含大量细节，需要使用大量二进制单元提供足够的自由度，从而实现精细还原。在该设计中，目标图像被离散为 301×301个像素，总像素数超过 90000个。图像尺寸为25mm×25mm，每个像素的边长约为 83 μm（约为 0.167λ）。当采用1 MHz作为工作频率时，为满足采样定理约束，所设计的图像平面距离超表面为 5 mm。实验结果显示，复杂的目标图案在目标像平面精确复现，且所有细节与理论设计一致，能够清晰、完整的刻画目标图案的特征。与传统的迭代角谱方法不同，我们的方法仅依赖正向传播优化，能够寻找全局最优解，而非局部最优解，并且极大的降低了计算复杂度。随着二元超表面中单元数量的增加，更多的自由度能够被利用去构造多种具有复杂功能的声学场分布，例如通过调节工作频率实现动态声全息图，或通过同时调控振幅与相位生成三维结构化声场以用于粒子的捕获与操控，这将有望为声学超表面在医工交叉场景中带来直接且深远的影响。

图2.物理学院院徽声全息实现，该样品总的像素点数超过90000个

4月3日，物理学院祝雪丰教授团队和南京大学团队合作，提出了一种基于声学时变耦合相位构造合成布里渊区的普适办法，通过波函数的绝热演化精确测量了Zak phase、 Chern number等阿贝尔拓扑不变量，推广并验证了一种表征非阿贝尔拓扑荷的新方法。相关工作以“Direct measurement of topological invariants through temporal adiabatic evolution of bulk states in the synthetic Brillouin zone”为题，发表在Physical Review Letters上。南京大学陈召宪副研究员、孙晓晨副研究员、湖南大学张远洪博士和香港科技大学张若洋研究助理教授为论文共同第一作者，华中科技大学祝雪丰教授、湖南大学杨鑫教授以及南京大学陆延青教授为论文共同通讯作者。

为了观测拓扑波函数的绝热演化，研究团队提出了一种构造合成布里渊区的普适方法。以一个一维紧束缚模型为例，如图3所示，其元胞包含N个原子，从哈密顿量中可以看出布里渊区k即等价于元胞最外侧1和N之间复共轭的耦合相位。通过电声反馈电路设计耦合，这个元胞模型可以在声学腔系统中直接构造出来。特别地，当k连续地变化2π范围，等效于“遍历”了一次布里渊区。通过激发并观测波函数的绝热演化，我们便可以直接地测量能带的几何相位，即拓扑不变量。在实验系统中，该耦合相位k的连续变化由新开发的瞬态相位调制器（Transient Phase Modulator, TPM）来完成。

图3 利用时变耦合声学系统构造合成布里渊区示意图

研究团队还将拓扑不变量的测量推广到了非阿贝尔范畴。对于满足PT对称性的多带拓扑系统，各能带整体的拓扑性质可由NA拓扑荷来表征。这些拓扑荷可以通过观察本征态在球面上旋转来确定即通过SO(3)流形上的绝热演化路径来判断拓扑荷。作为验证，我们构建了一个满足PT对称的三能带紧束缚模型，如图4所示。通过激发系统的本征态并驱动其沿着k绝热演化，我们直观地证明了其拓扑性质。该理论是传统实规范方法的重要补充，为非阿贝尔拓扑系统的研究提供了新的依据，并有望适用于其他非阿贝尔编织过程。