研究者提出了一種“聲學超構表面”的逆向設計方法，可獲得高效、超寬帶、消色差，并具有任意色散性質的聲學超構表面，實現目標頻域內聲波定向傳輸、能量匯聚、超聲粒子懸浮等“聲波魔法”，為超寬帶聲學超構材料及器件的實現提供了理論指導與結構基礎。

成果發表于《國家科學評論》（National Science Review, NSR），論文作者包括北京理工大學方岱寧院士、董浩文副教授，香港理工大學成利院士，天津大學汪越勝教授，美國羅文大學沈宸助理教授，青島大學趙勝東副教授，德國錫根大學張傳增院士，美國杜克大學Steven A. Cummer教授，深圳先進技術研究院鄭海榮教授、邱維寶研究員。

聲學超構表面(Acoustic metasurfaces)是近年來頗受關注的一類人工表面結構，它可以對聲波進行多角度的操控，改變其相位、幅值、傳播模式等特征，從而實現一系列獨特的應用，在通信、醫學檢測、航空航天、國防工程等領域都有廣闊的應用前景。 然而目前絕大多數聲學超構表面都面臨兩個共同的問題：1）帶寬較窄，只適用于一定頻率范圍內的聲波；2）有“色差”，對不同頻率聲波的調控效果不一致。因此，設計具有超寬帶、消色差性質，并能實現不同功能的聲學超構表面是當務之急。 在這項研究中，研究者提出了超寬帶消色差超構表面的“自下而上”逆向設計框架，建立了超構表面單元的“相位-效率-色散”拓撲優化模型，并由此設計制造了具有三種不同色散性質的聲學超構表面，分別實現了聲波的定向傳輸、能量匯聚，以及超聲粒子懸浮。

基于“自下而上”拓撲優化的超寬帶消色差超構表面，可在寬頻、消色差前提下實現三種典型波束，實現三類應用。（1）聲波轉向研究者設計了具有非對稱局部腔體、彎曲空氣通道的超構表面單元，使超構表面獲得線性非色散性質，在[1600 Hz, 4400 Hz]內具備恒定的等效折射率、高傳輸率，從而實現了具有恒定折射角度的高效、異常聲波定向傳輸功能。

面向超寬帶聲波定向偏轉的消色差超構表面

4000 Hz聲波經過超表面時發生定向偏轉（2）聲波聚焦研究者設計了相似的非對稱超構表面單元，可在[1000 Hz, 4000Hz]內具有恒定折射率，且折射率增加的程度逐漸降低，進而實現了具有恒定焦距、高效（>80%）的聲波聚焦功能，且具備超寬帶、消色差特性。

面向超寬帶聲波聚焦的消色差超構表面

在1000-4000 Hz多頻率下，聲波均聚焦于中心位置（3）超聲懸浮研究者設計了在[16.5 kHz, 66 kHz]內具有非色散、非線性色散特性的超構表面單元。該超構表面可產生具有恒定懸浮位置的局域空心束，從而非常穩定地將聚乙烯小球（重量：0.022克）懸浮在目標位置。與已有的超聲懸浮技術相比，這種基于消色差超構表面的超聲懸浮技術具有穩定、超寬帶、單邊操縱等多重優勢。

面向超寬帶超聲懸浮的消色差超構表面，及其代表性單元

40 kHz的超聲微粒懸浮 值得注意的是，上述3種逆向設計的超構表面單元均存在明顯的內部共振，也存在一定程度的雙各向異性，且與單元的色散程度呈正相關。此外，還存在顯著的多散射效應，且不同色散特性表現出完全不同的多散射。這意味著，多散射也有助于獲得超寬帶、消色差特性，可被視為一種新的超構表面設計自由度。因此，高效、超寬帶、消色差的聲波功能得益于集成內部共振、雙各向異性和多散射效應的協同作用。上述研究表明，通過逆向設計方法可實現具有任意色散特性的消色差超構表面，在實現被動式、超寬帶、多功能超構材料方面具有巨大的潛力，可為寬帶、高效的定向聲能量輻射、噪聲屏蔽、能量捕獲提供有效策略，甚至有助于實現不同類別的微粒操縱和輸運。此外，雖然這項研究的對象為聲波超構表面，但其所發展的設計策略和超寬帶消色差機制可拓展至彈性波/電磁波超構材料領域。

審核編輯 ：李倩