近日，物理科学与工程学院声学研究所李勇教授团队在手性声学超构表面研究方面取得重要进展。研究团队构建了镜面对称破缺的声学超构表面，发现了具有手性声场的连续谱准束缚态，利用该模态对正负拓扑荷数螺旋声波的不同耦合特性达到了完美手性奇异点，实现了最大化手性声场调控。研究成果以“Observation of perfectly-chiral exceptional point via bound state in the continuum”为题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

手性是自然界的基本属性之一，在波动系统中，它通常由圆偏振电磁波的非对称散射来表征，但这也局限于左右两种旋向的偏振，限制了手性物理的挖掘。为了实现更多可能性，研究团队选择了由轨道角动量（OAM）表征的手性调控思路，通过构建镜面对称破缺的声学超构表面，观测到一种特殊的本征态—本征声场具有手性的连续谱准束缚态（QBIC），可使超构表面和正/负旋向螺旋声波选择性耦合，让系统处于特殊状态（完美手性奇异点）：左旋入射波被完全吸收，而右旋入射波则被完全反射，进而实现最大化手性声场调控。由于OAM除了正反旋向之外，还具有高阶拓扑荷数的无穷自由度，极大丰富了手性声场调控的物理内涵。

研究团队构建了如图1(a)所示的声学超构表面。它原本具有180°旋转对称性、σ_1,2镜面对称性。在蓝色槽中引入微扰后，σ_1,2镜面对称性被打破，超构表面呈现手性的几何结构 [图1(b)]。研究团队探究了这个超构表面置于一个直径为100mm的圆柱波导末端（另一端为反射边界）时的本征态。在这个开放系统中，本征态与外界的耦合强度由复数频率ω=ω₀+jγ_r描述，其中ω₀为共振频率，γ_r为辐射衰减速率，则品质因子可以表示为：Q_r=ω₀/(2γ_r)。在参数空间中，存在一个品质因子无限大的点，代表了一个嵌入在连续谱中的束缚态（BIC，频率为3136.3 Hz），其特点是跟外界入射波完全解耦。在BIC的周围是一些品质因子有限大的本征态，被称为连续谱中的准束缚态（QBIC）。它们可以与外界入射波耦合，决定着超构表面的散射特性[图1(c)]。研究团队将这些BIC、QBIC的辐射场进行模态分解后，发现其中有一个特殊的QBIC，其辐射场中仅存在顺时针的OAM，而逆时针的OAM则完全消失 [图1(d)红点]。这个特殊的QBIC被称为手性QBIC。图1(e)为BIC与手性QBIC的本征辐射场图。从中可以发现，BIC向外界的辐射波为0，而手性QBIC仅向一个通道辐射声波。这种定向的辐射使系统处于一个完美手性奇异点。

图1 (a)镜面对称的超构表面，(b)镜面对称破缺的超构表面，(c)参数空间中超构表面本征态的品质因子，(d)参数空间中超构表面本征态的模式成分，(e)BIC和手性QBIC的本征场图。

研究团队通过实验验证这个奇异点处超构表面的散射特性 [图2(a)]。左边的喇叭阵列可以发射携带OAM的声涡旋波，入射到波导末端的样品表面。通过扫描蓝色区域的声压，可以获得入射场图和反射场图。图2(b)为仿真入射、反射三维场图。可以发现，左旋入射波（顺时针OAM）被完全吸收，而右旋入射波（逆时针OAM）则被完全反射。实验测量的二维场图与仿真结果可以较好地吻合，证明在手性完美奇异点处，可实现最大化手性声场操控。

图2 (a)实验平台示意图，(b)完美手性奇异点处的入射和反射三维场图，(c)完美手性奇异点处的入射和反射二维横截面场图，其中第一行为幅值图，第二行为相位图。

同济大学为论文唯一单位，博士研究生周志凌和硕士研究生贾彬为论文共同第一作者，王旭副教授和李勇教授为论文共同通讯作者。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金及上海市科委项目的支持。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.116101