Acoustic scattering singularities via quasi-Bound states in the continuum
本文通过理论和实验证明了如何利用连续谱中的准束缚态来调节非厄米声学系统中的损耗，从而实现对散射奇异性的控制，并通过临界耦合和例外点实现窄带相干完美吸收和单向吸收。
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想象一下，声音的世界不仅仅是噪音，而是一条在空间中流动的无形波浪之河。通常，当这些波浪撞击墙壁或空心盒子时，它们会发生反弹、穿透，或者在混乱的回声中迷失。但科学家们最近发现了一种与这些声波玩高难度“捉迷藏”游戏的方法。他们使用了一种被称为“非厄米系统”（non-Hermitian systems）的特殊物理学，这是一种高级说法，意指他们特意在其中加入了“损耗”或“摩擦”。这就像一位魔术师，不仅能让兔子消失，还能精确控制兔子的能量泄露了多少，从而实现按指令使其凭空消失。
这个故事的主角被称为“连续谱中的束缚态”（Bound States in the Continuum, BICs）。想象一个声波被困在一个没有门窗的房间里的场景；它被困在那里，永远嗡嗡作响。那就是一个 BIC。但在现实世界中，完美的陷阱并不存在。因此，科学家们使用了“准 BIC”（quasi-BICs），它们就像是被困在一个墙上有极小裂缝的房间里的声波。声音大部分被困住了，但有一点点会泄露出来。奇迹发生在你能够完美控制那个泄露量的时候。如果能将泄露量调节得恰到好处，使其与声音在房间内自然衰减的趋势相匹配，那么神奇的事情就会发生：声音不仅仅是反弹回来或缓慢泄露，而是会被整个吞噬，完全消失得无影无踪。这被称为“相干完美吸收”（Coherent Perfect Absorption, CPA），是声学意义上的声波黑洞。
在这篇论文中，来自法国洛林大学的研究人员决定看看能否将这种理论上的魔法转化为现实世界的声学戏法。他们建造了一个带有两个开口管延伸出来的特殊矩形盒子，作为捕捉声波的陷阱。通过仔细调整盒子的长度，他们利用一种被称为“弗里德里希-温特根干涉”（Friedrich–Wintgen interference）的现象创造了一个准 BIC。你可以把这种干涉想象成两股波浪以一种相互抵消的方式碰撞，从而消除它们逃逸的能力，这足以封住盒子的“裂缝”，既能困住声音，又不至于让声音永远被困住。
团队发现，通过微调盒子的几何结构，他们可以达到一个“甜点位”（sweet spot），此时进入盒子的声波与泄露出的能量达到了完美的平衡。当他们发送两股具有特定相位差（即特定的时间差）的声波时，这个盒子就像是一个完美的声学真空。波浪既没有反弹回来，也没有从另一侧泄露；它们被完全吸收了。在实验中，他们实现了高达 140 的品质因子，这意味着声音在被吞噬之前在内部停留并产生了长时间的共振，创造了一种非常尖锐的窄带吸收效应。
但研究人员并没有止步于仅仅“吞噬”声音。他们还将两个这样的特殊盒子连接在一起，构建了一个更复杂的系统。在这种设置下，他们发现了某种更奇特的东西，叫做“例外点”（Exceptional Point, EP）。想象两个同步旋转的舞者，在某一特定时刻，他们合并成一个舞者然后消失。在他们的系统中，声波的数学特性（称为特征值）同时合并并消失了。这创造了一条单向通道：如果你从左侧发送波，它有 99% 的概率被吸收；但如果你从右侧发送波，它会直接反弹回来。
论文通过计算机模拟和使用 3D 打印塑料盒进行的物理实验证实了这些结果。虽然计算机模型完美地预测了这种效应，但现实世界的实验显示出了一点差异，因为 3D 打印过程使得塑料表面略显粗糙，这增加了预料之外的摩擦。尽管如此，实验成功演示了具有 140 品质因子的声音“吞噬”现象以及单向声吸收器的创建。研究人员表明，通过掌握这些“准陷阱”，我们可以制造出极其精确的滤波器或单向声阀等声学器件，为我们控制声音如何在世界中传播开辟了新的途径。
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