Geometry-locked acoustic orbital polarization enables switchable bound states in the continuum

空气中的声音是一个简单的现象：它是一种压力波，向前推进，推动并拉动空气分子，使其沿着波传播的方向移动。正因如此，声波不像光那样具有内置的振动方向；它们天生不具备偏振性。这种内在方向性的缺失，使得我们很难像控制光那样，以同样精细的方式来控制声音，例如根据其取向进行过滤，或将其捕捉在特定位置而不让其泄露。几十年来，科学家们一直试图通过改变声波传播的路径来赋予声波类似的“手性”或取向，但在完美的圆管中，形状的对称性阻止了任何单一方向的脱颖而出。波流于混乱，能够在圆周的任何方向上以同样的轻松程度进行振动。

现在，一支研究团队发现了一种打破这种混乱并赋予声音固定、可控取向的方法。通过在声管内壁刻出特定的锯齿形凹槽图案，他们创建了一个系统，迫使声波只能相对于管子的形状在特定的一个方向上振动。这种简单的几何变化使它们能够起到类似滤波器的作用，仅在管子对齐时允许声音通过，而在侧转时完全阻挡声音。更令人惊讶的是，他们利用这种阻挡效应，将声音捕捉在一个三部分组成的系统的中间，创造了一个“连续谱中的束缚态”。在这种状态下，声音被困在特定的位置，即使它存在的频率本应能在周围空气中自由传播，也无法逃逸。研究人员通过计算机模拟和使用3D打印管子的物理实验证明了这一点，证明了声音的取向可以锁定在容器的几何形状上，并且只需通过旋转管子即可实现开启或关闭。

要理解为什么这是一个突破，首先必须了解声音在圆管中通常是如何表现的。在标准的圆柱形管道中，横跨管宽振动的最低声模呈现出哑铃形状，一侧压力高，另一侧压力低。在完美的圆中，这个哑铃可以指向任何方向——上、下、左、右，或中间的任何位置——且物理定律并不在意。这就像一个可以自由旋转的轮子；没有首选的方向。由于这种自由度，你无法轻易地将一种取向与另一种取向分离，也无法轻易地在尝试捕捉波时阻止它向外辐射。波会自由地与其他取向混合，使得创造一个纯净的、单向的声束或在不向外辐射的情况下固定住一个波变得不可能。

来自华中科技大学和同济大学的研究人员通过打破管子的完美对称性解决了这个问题。他们采用了一个标准的充气管，在其内壁刻出了一系列锯齿形的凹槽。这些凹槽按照在圆周上重复特定次数的模式排列，从而创造出一种不再是完美圆形、而是具有明显锯齿边缘的形状。这种形状的变化起到了物理约束的作用，迫使声波必须做出选择。正如钥匙只有在齿形匹配时才能插入锁孔一样，这种锯齿管内的声波只能在两个特定的、固定的方向上振动：一个平行于凹槽，一个垂直于凹槽。

这种几何约束产生了深远的影响。在光滑的管子中原本完全相同的两种振动方向，现在表现得截然不同。一个方向允许声音以略低的频率传播，而另一个方向则需要略高的频率才能移动。这在频率上创造了一个间隙，在该间隙内的频率只能让其中一个方向的波传播。如果你向这个管子发送处于该间隙频率范围内的声音，管子就会表现得像一个偏振器。它允许在“允许”方向上振动的波通过，而振动在“禁止”方向上的波则会几乎立即消失，无法传播。声音的取向现在被锁定在管子的形状上了；如果旋转管子，声音的允许方向也会随之旋转。

团队通过将两个这样的锯齿管首尾相连测试了这个想法。他们在第一个管子的入口处放置了一个产生符合该管子形状允许的特定振动模式的声源。在两个管子连接的接头处，他们可以将第二个管子相对于第一个管子旋转到任何角度。当两个管子对齐时，声音可以轻松通过。然而，当他们旋转第二个管子时，传输量就会下降。当第二个管子旋转整整九十度，使其允许的方向与第一个管子的方向垂直时，声音被完全阻断了。波无法进入第二个管子，因为其振动方向不符合第二个管子的要求。这种行为类似于偏光太阳镜对光的处理方式，但在这里，它是纯粹通过管子的形状和声波振动模式的旋转来实现的。研究人员通过计算机模拟和物理测量证实了这一点，显示声音强度遵循基于旋转角度的可预测模式，实际上创造了一个针对声音的“马吕斯定律”。

基于这种通过改变角度来阻挡声音的能力，研究人员构建了一个更复杂的系统，由三个管子直线连接而成。中间的管子被放置在两个外管之间，声源位于中间管的中心。目标是观察他们是否能将声音捕捉在中间部分。他们将两个外管设置为彼此对齐，但旋转了中间管，使其允许的振动方向与外管垂直。在这种配置下，中间管产生的声音试图向外传播，但当它到达与外管的界面时，发现找不到匹配的路径。外管的取向旨在接受另一种振动方向，而中间管中的声音并不具备这种方向。因此，声音无法进入外管。

声音并没有泄露出去，而是被捕捉在了中间部分。它在两个界面之间来回反弹，被取向的不匹配所限制。这创造了一个“连续谱中的束缚态”。在物理学中，束缚态通常是指处于能量水平之下、无法自由移动的状态，就像谷底的一个球。连续谱中的束缚态则更为奇特：尽管声音存在的频率本应能在周围空气中自由传播，但它却被困住了。它被困住并非因为频率太低而无法逃逸，而是因为几何系统阻止了它与外界发生耦合。研究人员表明，通过旋转中间管，他们可以开启或关闭这种状态。当中间管与外管对齐时，声音自由流动。当它旋转九十度时，声音被限制住了。

团队还发现，中间管的长度决定了可以存在多少种被捕捉的状态以及这些状态的稳定性。较长的管子允许产生更复杂的捕捉声波模式，类似于较长的吉他弦可以承载更多的驻波。他们测量了这些捕捉状态的品质，发现外管越长，声音被限制得越好，能量泄露得非常缓慢。在实验中，他们实现了高水平的限制，声音在消散前能持续很长时间。这些结果通过详细的计算机模型以及使用3D打印管子和微型扬声器的物理实验得到了验证，确认了理论预测与现实相符。

这项工作为控制声音开辟了一种新途径。通过利用管子的形状来锁定声波的取向，研究人员创造了一种工具，可以用以往难以实现甚至不可能的方式来过滤、切换和捕捉声音。仅通过旋转管子就能将声波从传播态切换到捕捉态，这一能力为声学器件带来了新的可能性。它表明，可以通过几何结构作为主要的控制机制，以一种此前仅限于光的精密程度来操纵声音。这些发现不仅仅是理论上的好奇心，它们已在现实世界的实验中得到论证，展示了声音的取向是一种可以通过其传播的物理结构来进行处理和控制的属性。这为通过简单的机械调整来实现可重构声学系统提供了一条清晰的路径，使声音可以被定向、阻挡或保持在原位。