人工微结构科学与技术协同创新中心成员，南京大学物理学院声学研究所程建春教授和梁彬教授在声学轨道角动量操控方面的研究取得突破, 最新研究成果以“Convert Acoustic Resonances to Orbital Angular Momentum” 为题发表在2016年7月15日的《物理评论快报》上（Phys. Rev. Lett.117 034301 (2016)）。该工作与德克萨斯大学奥斯汀分校的张黎昆博士及法国Jean Lamour研究所的李勇博士合作，论文第一作者为博士生江雪，南京大学是第一作者单位。
近年来对声涡旋场的研究得到了大量的关注。图1显示了拓扑阶数m=1的涡旋场的波阵面的典型形状。拓扑阶数描述了在一个波长的传播距离内涡旋场的波阵面发生扭转的次数。阶数越高，波阵面在传播过程中扭转的越快。声涡旋场携带声学轨道角动量（orbital angular momentum, OAM）无疑代表了一个新的声波操控的自由度，在众多领域有广泛的实用价值。例如实现角动量的远程传递，设计出可以在不接触物体的情况下，远距离施加扭矩使之旋转的“声学扳手”，对医学超声等领域意义重大。因而研究声涡旋场的产生与操控机理具有重要的科学意义与应用前景。
已有研究中，声学轨道角动量的产生主要基于主动声源技术、或利用螺旋几何结构。第一种原理将引入繁杂的电路和高昂的成本，且在高频范围内不具适用性。第二种原理利用螺旋结构对声波的衍射，将带来庞大的体积和非平整的表面形状。传统的声涡旋生成方法中存在的各种缺陷对其在实际中的应用潜力产生极大限制。如何利用小尺度、平面状的简单非螺旋状结构来高效产生声学轨道角动量，是一个亟待解决的关键科学问题。
为解决上述问题，该工作提出一种引入声学轨道角动量的全新机制，可带来效率高、尺寸小、设计制备简单、外形平整且不包含螺旋结构等重要特性。图2是该设计思路的原理示意图。如图所示，该机理不需要依赖于随角度呈螺旋变化关系的入射相位或传播距离（分别需要采用传统的有源及无源方法产生），通过在亚波长的非螺旋状平面结构中激发声学共振来产生等效声波矢量的角分布，将原本不具有声学轨道角动量的入射平面波的波阵面“拧”成螺旋形，使之携带轨道角动量。图2展示所产生的一阶贝塞尔型声学涡旋场在不同传播距离上结果，图3为实验样品以及理论、仿真、实验结果的对比图，验证了将声学共振转化为声学轨道角动量这一新机理的有效性。
基于这种新原理设计的声学共振结构具有大于95%的高透射率、超薄的结构尺度及完全平整和非螺旋状的几何结构，并且其材料选择广泛，结构简单，极大降低了设计与制备的难度。这一设计思路具有很大的灵活性，能够通过调整声学共振体的几何参数对拓扑阶数进行精确控制。此研究成果为使用微型化、集成化的声学结构产生任意拓扑阶数的声学轨道角动量提供了关键支持，开辟了声学角动量产生与操控的新途径，具有广阔的应用前景。
该工作得到科技部重大研究计划、国家自然科学基金以及南京大学登峰人才计划（B 类）的支持。
图1 拓扑阶数m=1的声涡旋场示意图
图2 基于声学共振引入轨道角动量的原理示意图
图3 拓扑阶数m=1的贝塞尔型声涡旋场仿真结果
图4 实验样品照片及实验测量结果