声学超材料的发展及展望 |《科学通报》专题编者按

《科学通报》2025年第12期出版“声学超材料的发展专题”，欢迎关注！

超材料一般是指由人工设计的微元所构成的经典波等效介质, 可提供自然界无法或较难出现的波动性质. 由于经典波的形式多样、介质种类丰富, 所对应的超材料也相应形成了一个个活跃的研究领域, 部分成果更在近年开始迈入实用化阶段. 声波是最为常见的经典波, 与日常生活、社会生产、工业活动等几乎所有领域都息息相关. 因此, 声学超材料自诞生以来就一直备受学术界和工业界的广泛关注.

普遍认为, 声学超材料的研究可追溯到文献 [1] , 其发表距今正好25年. 该文首次提出并阐明了局域共振原理, 并在实验上展示了其对控制声波传播的重要价值. 局域共振原理指出, 深亚波长尺寸的共振结构会在等效介质的尺度(即至少数个波长的尺寸)上显现出独特的声学性质, 如负等效质量密度、负等效体弹模量等. 这些奇特声学性质对声学在21世纪的研究起到了解放思想的作用, 为后续的诸多基于超材料的声学现象、声学器件的涌现奠定了基础. 声学超材料经过20余年的深度发展后, 不但揭示了丰富的声学传播现象, 提供了诸多新颖的声波调控手段, 更带来了许多新技术和新思想 [2] . 这些新技术和新思想先后渗透到多个新兴的研究领域, 助力了拓扑声学 [ 3 , 4 ] 、非厄米声学 [5] 等研究热潮.

《科学通报》组织出版的“声学超材料的发展”专题共收录7篇文章. 沈平 [6] 撰写“声学超材料: 展望未来”一文, 通过借鉴液晶、纳米科技等新兴领域的发展历程, 展望了声学超材料的未来发展方向. 刘正猷团队 [7] 全面总结了声学超材料取得的多项突破性成就, 并深入介绍了拓扑声学这一新兴的凝聚态和声学深度交叉领域的进展. 胡更开 [8] 论述了超材料对固体声传播和振动调控的重要意义, 并展望了力学或弹性超材料的未来发展. 李勇团队 [9] 介绍了声能量吸收的基本原理, 总结了多种现有吸声超材料技术. 赖耘团队 [10] 总结了声学超材料在通风透气条件下的应用和发展. 何程和陈延峰团队 [11] 报道了彭罗斯准周期二维声学结构中出现的对称性保护的高阶拓扑态. 梁彬和程建春团队 [12] 通过等效介质理论提出了利用含气泡软媒质产生声涡旋束的方案.

由于时间和篇幅有限, 本专题无法对声学超材料丰富的内涵和重要的价值做到面面俱到的介绍. 希望本专题能给相关研究者以及工程技术人员提供有益的参考、借鉴和启发, 进一步促进声学超材料未来在多个领域的创新和突破.

专题特邀编辑

马冠聪香港浸会大学物理系教授. 主要从事声学超材料、拓扑声学、非厄米系统等研究.

张柏乐 新加坡南洋理工大学物理系教授. 主要从事复杂介质中的波、超材料、光子晶体与声子晶体等研究.

刘正猷武汉大学物理科学与技术学院教授. 主要从事声学超材料、声子晶体、拓扑声学等研究.

参考文献

[1] Liu Z, Zhang X, Mao Y, et al. Locally resonant sonic materials. Science, 2000, 289: 1734−1736

[2] Ma G, Sheng P. Acoustic metamaterials: from local resonances to broad horizons. Sci Adv, 2016, 2: e1501595

[3] Ma G, Xiao M, Chan C T. Topological phases in acoustic and mechanical systems. Nat Rev Phys, 2019, 1: 281−294

[4] Xue H, Yang Y, Zhang B. Topological acoustics. Nat Rev Mater, 2022, 7: 974−990

[5] Huang L, Huang S, Shen C, et al. Acoustic resonances in non-Hermitian open systems. Nat Rev Phys, 2023, 6: 11−27

[6] 沈平. 声学超材料: 展望未来. 科学通报, 2025, 70: 1699−1701

[7] 叶莉萍, 陆久阳, 邓伟胤, 等. 声学超材料和拓扑声子晶体研究进展. 科学通报, 2025, 70: 1702–1719

[8] 胡更开. 弹性超材料研究进展. 科学通报, 2025, 70: 1720–1735

[9] 周志凌, 王能银, 陆彤玮, 等. 吸声材料新进展. 科学通报, 2025, 70: 1736–1749

[10] 刘晨凯, 刘晓宙, 赖耘. 通风声超材料屏障研究进展. 科学通报, 2025, 70: 1750–1761

[11] 陈昊, 谢建斓, 孙晓晨, 等. 声学二维彭罗斯准晶中的高阶拓扑态. 科学通报, 2025, 70: 1762–1771

[12] 王蓉, 赵澄宇, 刘京京, 等. 基于含气泡软媒质的高纯度水下声涡旋束产生. 科学通报, 2025, 70: 1772–1781

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