最近Nature Communications报道了徐亚东教授与南京航空航天大学的伏洋洋教授、刘友文教授等人合作的工作，通过构建共轭拓扑对超表面概念，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100 mm的低频声波实现了1.2 μm的位移超分辨。
精密位移计量在现代科学技术领域中扮演着至关重要的角色。光波得益于其超高的频率以及与物质间复杂而多样的相互作用，已成为从经典物理乃至量子物理范畴内实现精密位移计量的强大工具。然而，在某些特定应用场景下，比如水下环境、生物组织内部以及复杂机械部件中，光波并非位移计量的最优选择。声波因具有高能量传递效率、极低的生物组织损耗以及出色的物体穿透能力，在这些领域中展现出巨大的应用潜力。然而，声波较低的频率（通常不超过100 MHz，相较于光波低了六个数量级）导致其分辨能力低，难以与光波所能达到的水平相媲美。尽管提高工作频率有助于提升分辨率，但这一直接方法却受到超声换能器技术固有的限制以及高昂成本的制约。
本工作类比于自旋电子中的库珀对，创新性引入了轨道人工原子中拓扑对（topological pairs ：TPs）的概念，并基于此提出了一种超分辨声学位移计量的新方法（图1）。该方法利用两个耦合的轨道人工原子在轨道角动量（OAM）模式空间中构建了一对共轭TPs（图1a）。正是这对共轭TPs，为声波的传播在OAM模式空间开辟了两条独立的传输路径（图1b）。由于在模式空间具有不同的OAM循环演化过程，这两条路径会累积相反的几何相位，从而产生了满足马吕斯定律的声学干涉效应（图1c），这为实现声学位移测量奠定了基础。
图1：共轭拓扑对的形成及其产生的声学马吕斯干涉效应。
研究团队结合角分辨放大和螺旋放大原理，如图2所示，设计了配备螺纹的轨道原子，制备了首个声学螺旋测微器样机，用于微米级位移计量。通过设计和研究了d＝3 mm、10 mm、16 mm三种不同螺距声学螺旋测微器的灵敏度，利用多次测量的统计方法，可以得出该样机在3.43 kHz的可听频率下，最小可分辨1.2微米的位移，这一数值仅为工作声波波长（100 mm）的十万分之一。
图2：声学螺旋测微器样机设计及实现。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52593-y
