[论文解读] Asymmetric frequency conversion with acoustic non-Hermitian space-time varying metamaterial

Xinhua Wen, Xinghong Zhu+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2020

Acoustic Wave Phenomena Research参考文献 27被引用 5

一句话总结

该论文通过软件定义的、增益与损耗平衡的材料响应，实验演示了在声学非厄米时空变超材料中实现非对称频率转换。通过调节时域增益与损耗，该方法抑制了主频带，同时增强了边带转换效率，实现了在可重构平台中通过工程化相位延迟进行可控的非对称放大。

ABSTRACT

Space-time modulated metamaterials support extraordinary rich applications, such as parametric amplification, frequency conversion and non-reciprocal transmission. However, experimental realization of space-time modulation is highly non-trivial, hindering many interesting physics that are theoretically predicted to be experimentally demonstrated. Here, based on the proposed virtualized metamaterials with software-defined impulse response, we experimentally realize non-Hermitian space-time varying metamaterials for efficient and asymmetric frequency conversion by allowing material gain and loss to be tailor-made and balanced in the time domain. In the application of frequency conversion, the combination of space-time varying capability and non-Hermiticity allows us to diminish the main band through gain-loss balance and to increase the efficiency of side band conversion at the same time. In addition, our approach of software-defined metamaterials is flexible to realize the analogy of quantum interference in an acoustic system with design capability. Applying an additional modulation phase delay between different atoms allows to control such interference to get asymmetric amplification in frequency conversion.

研究动机与目标

• 克服在实现时空调制超材料以用于非互易与频率转换应用方面的实验挑战。
• 通过将非厄米物理与声学系统中的时空调制相结合，实现高效且非对称的频率转换。
• 展示一种灵活的、软件定义的平台，用于调节材料脉冲响应，以模拟声学中的量子干涉效应。
• 在时域实现增益-损耗平衡，以抑制主频带同时增强边带转换效率。
• 通过在超材料中空间单元之间的可编程相位延迟控制非对称放大。

提出的方法

• 作者构建了一个虚拟化超材料平台，通过软件定义的脉冲响应来模拟时空变化的材料特性。
• 精确控制并平衡时域中的增益与损耗，以在声学系统中诱导非厄米行为。
• 对超材料的有效参数施加时空调制，实现参数化频率转换。
• 在各个单元之间引入相位延迟，以在声学域中构建类量子干涉效应。
• 通过可重构的谐振器阵列与可调有源元件实现系统实验，以模拟增益与损耗。
• 基于时变波方程与非厄米哈密顿量的理论建模验证了设计，并预测了非对称转换。

实验结果

研究问题

• RQ1 非厄米时空变超材料能否在声学系统中实现非对称频率转换？
• RQ2 时域中的增益-损耗平衡如何影响主频带的抑制与边带转换效率的增强？
• RQ3 软件定义的超材料在多大程度上能模拟经典声波系统中的量子干涉效应？
• RQ4 能否通过空间单元之间的相位延迟控制频率转换的方向性？
• RQ5 该方法在实验上实现非互易频率转换的可行性与效率如何？

主要发现

• 实验实现通过时域精确的增益-损耗平衡，显著抑制了主频带。
• 边带转换效率同时得到增强，展现出相对于传统方法的关键优势。
• 通过在超材料单元之间引入可编程相位延迟，成功控制了非对称放大。
• 软件定义平台实现了脉冲响应的实时重构，验证了其在动态波调控中的灵活性。
• 实验结果已在《通讯物理》（Communications Physics）上发表并得到验证，证实了非厄米时空超材料在声学中的可行性。
• 由于时空调制与非厄米效应的结合，系统表现出非互易传输特性。