安徽理工大學力學與光電物理學院副教授吳宏偉團隊，針對聲學系統中速度矢量場的矢量特性和分布調控展開理論研究和實驗觀測，實現了速度場的斯格明子模式分布和局部調控，有效拓展了操控矢量場的途徑，為未來實現高速、高密度聲波信息存儲和傳輸提供了更多調控自由度。相關研究成果日前發表于《應用物理快報》。
實驗觀測聲學斯格明子模式的局部調控 安徽理工大學供圖
斯格明子最早是由英國物理學家Tony Skyrme在高能物理中提出的一種拓撲孤立子。近些年，人們在不同物理系統（包括玻色愛因斯坦凝聚、磁性材料、光學系統等）中觀察到了斯格明子模式，并發展衍生出各式各樣的斯格明子分布，這種特殊的矢量場分布有望代替傳統的計算機硬盤，實現超緊縮的數據存儲器。
“聲波作為經典波之一，在日常生活、生產中起到重要作用。借助于聲學超構材料設計，構造特殊聲波的速度場分布可以實現對聲波傳輸操控，以推動聲波在生物醫學、傳感檢測以及信息傳輸與存儲方面的應用。”吳宏偉向《中國科學報》介紹。
近年來，斯格明子模式由于其特殊的實空間拓撲保護性和巨大的應用前景，使其成為不同物理分支中研究的熱點和前沿方向。然而，與光學這種矢量場相比，聲波過去一直被認為是無旋標量場。直到最近，人們才認識到聲學系統中結構聲場可以產生有旋速度場矢量。因此，在聲學系統中研究速度場的斯格明子模式分布，不僅對實際的聲波信號傳輸和存儲具有重要意義，對認識聲波的矢量特性也具有一定科學價值。
吳宏偉團隊率先在聲學領域開展斯格明子模式研究，設計了阿基米德螺旋線型的亞波長超結構，實現了局域型聲學斯格明子模式，實現對聲波信號的數據存儲。研究發現，這種螺旋結構不僅可以支持多頻率的斯格明子模式，而且具有易激發和樣品制作簡單等優點。
“我們研究發現，這種物理機理來自于超結構表面的溝槽對聲波產生了一種束縛作用，形成具有高傳播波矢的聲學表面波，進而在結構表面干涉產生特殊的聲速矢量場的分布。”吳宏偉說。
傳統的斯格明子模式按照矢量場分布類型，通常可以分為Néel型、布洛赫型、反型斯格明子等，這些類型的斯格明子模式具有固定的矢量場分布特征。為進一步操控斯格明子模式的矢量場分布，課題組在前期工作的基礎上，進一步提出一種梯度超結構方案，實現Néel型斯格明子模式內部矢量場的局部調控，產生緊縮或擴張矢量場分布。通過3D打印實際下凹、平整、和上凸的樣品，從實驗上實際觀測到了斯格明子模式的緊縮、平緩和擴張的速度場分布。這種斯格明子模式內部局部操控的方法不僅對Néel型模式，對其他類型的模式也具有同樣的調控作用，并且依然保持了斯格明子模式的拓撲保護性。研究結果有效拓展了操控矢量場的途徑，為調控速度矢量場分布提供了更多的自由度。
審稿專家認為：“作者在聲學領域提出了一種全新的方法，產生Néel型的斯格明子，并通過實驗觀測到了斯格明子模式的局部操控以及拓撲保護特性，在聲波信息傳輸與存儲方面有著重要意義。”
相關論文信息：https://doi.org/10.1063/5.0145611