聲學超材料專題 | 導讀：超材料對聲學物態的新奇調控

|梁彬

（南京大學物理學院）

本文選自《物理》2026年第4期

聲學作為物理學的重要分支學科，在科學研究與工程應用中始終占據獨特地位，成為保障國家安全、推動經濟建設、守護人民健康及構筑綠色家園的不可替代力量。傳統聲學方法主要依賴天然材料來調控聲波，其功能與性能往往受限于材料本征聲學參數。聲學超材料的出現突破了天然材料的物性極限，通過人工設計的微結構實現了對等效聲學參數的靈活定制，打造了自由控制聲波的“神兵利器”。近年來，聲學超材料與凝聚態物理、拓撲物理等研究領域的深度交叉，催生出聲波自旋態、聲學拓撲態等一系列新奇物態，拓展了聲波調控的維度與深度。

聲波自旋態是近期聲學領域的重要前沿發現。在傳統認知中，聲波被認為不存在自旋屬性。然而，近年來人們從聲速度場的極化特性中發現了聲波自旋的存在以及自旋角動量相關的重要物理性質，例如，從聲學類狄拉克方程揭示聲波自旋的起源和物理內涵，在聲學人工體系中實現自旋—動量鎖定效應以及聲全局自旋—軌道耦合效應等，這些進展拓展了人們對聲波動力學特性的認知并為聲波調控提供了新的自由度，有望在高容量聲信息傳輸、定向聲傳感與集成聲子器件等重要領域產生應用。

此外，聲學拓撲物態是超材料與拓撲物理融合的典范。聲學超材料為研究拓撲物理效應提供了理想的實驗平臺，拓撲絕緣體的核心思想已在聲學超材料體系中得到有效實現，例如，在二維聲學系統中實現的高階拓撲絕緣體、厄米與非厄米聲拓撲物態等。另一方面，作為空間拓撲態的時間類比，時間拓撲態揭示了動量帶結構拓撲性質與時間界面態之間的深刻聯系，為時間維度上的波操控提供了新的機遇。這些新穎拓撲物態的發現為聲波魯棒調控與新型聲拓撲功能器件設計提供了新的物理機制與實現途徑。隨著微納加工與增材制造技術的持續發展，拓撲聲學器件正朝著小型化、集成化與多功能化的方向演進。

低頻聲波的吸收與隔離是超材料走向實際應用的重要突破方向。傳統吸隔聲材料依賴與波長相當的結構厚度來實現聲波調控，導致在低頻條件下難以兼顧輕薄化與高效控制。近年來，面向末端吸聲、管路降噪、氣流環境噪聲控制等各類場景的聲超構材料發展迅速，并在部分領域實現工程化應用，突破了傳統材料在尺寸、重量與性能之間的固有限制，為低頻噪聲的高效控制提供了新的技術路徑，并為“寧靜中國”建設及健康、舒適、安靜聲環境的營造提供了關鍵支撐。

縱觀上述進展，超材料正以其獨特能力持續重塑著聲學物態的調控邊界。從聲波自旋的理論提出和實驗觀測，到聲學系統中各類新穎拓撲物態的實現，再到低頻吸聲的工程化應用，聲學超材料正在將經典聲學帶入“按需設計聲場、智能調控物態”的新紀元。本專題聚焦這一前沿方向，展示超材料調控聲學物態的新物理、新方法與新應用。隨著聲學超材料與增材制造、人工智能的深度融合，聲學將在更多場景發揮變革性作用，并繼續深化和拓展人類對聲波物理本質與物態調控機制的認知。

聲學超材料專題

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