南京大学物理学院刘晓峻、程营课题组与彭茹雯、范仁浩课题组实现激光诱导的声学非厄米相变

近日，南京大学物理学院声学研究所刘晓峻教授、程营教授课题组与物理学院彭茹雯教授、范仁浩副教授课题组合作，在非厄米声学研究中取得重要进展。研究人员创新性地利用脉冲激光照射碳纳米管薄膜的光-热-声效应，构建了可精确调控的声学增益体系，并在实验中成功实现了宇称时间（parity-time，PT）对称、反向（reversed）PT对称以及反（anti）PT对称三种非厄米相态的灵活切换，为声波调控提供了新的手段。进一步地，通过旋转激光束激发产生一阶涡旋声场，在奇异点（EP）附近观测到了类似PT对称的散射行为以及拓扑荷数反转现象，揭示了非厄米体系中复杂结构声场调控的丰富物理内涵。

1998年，C. M. Bender发现：具有PT对称性的非厄米哈密顿量可拥有全实数且正的本征谱。这一突破性成果激发了学界在光子学、声学等经典波系统中构建其对应物理实现的广泛兴趣，典型路径是通过精心设计空间分布的增益与损耗区域以实现PT对称性。近年来，其共轭概念—反PT对称性（Anti-PT Symmetry）—进一步拓展了非厄米对称性的理论框架，并已在冷原子系统、电子电路及光学平台中获得实验验证。然而，在声学领域，受限于缺乏高效、可控的实验手段，迄今尚未成功构建出满足反PT对称条件的声学散射结构，这制约了在同一声学系统中实现PT对称与反PT对称之间的可控相变。尤为关键的是，该相变的实现高度依赖于可精确调控的声学增益介质；而现有基于机械驱动的增益方案（如压电换能器或机电扬声器）因带宽窄、响应非线性及增益稳定性差等固有缺陷，难以满足上述要求。

本工作提出一种普适性调控策略：通过主动调制非厄米系统的增益-损耗分布实现复杂耦合系数的精确构造，并进一步结合激光诱导热声效应（Laser-Induced Thermoacoustics, LIT），在统一的声学平台中首次实现了PT对称性与反PT对称性之间的可控相变。为突破声学增益介质难以精准构建的技术瓶颈，研究人员实验引入碳纳米管（CNT）薄膜作为光热转换介质—该薄膜可在532 nm脉冲激光辐照下高效激发热声响应。得益于其亚微米级厚度与优异的光热转换效率，CNT薄膜与LIT效应协同构成迄今最具可控性的声学增益平台，为发展高效率、宽频带、可集成的光声换能器件提供了新范式。尤为关键的是，上述所有相变过程均可在宽频带范围内通过连续、独立地调控激光功率、初始相位及系统几何参数得以精确实现，且不受传统损耗材料固有色散特性的制约。LIT与PT对称性的深度融合，不仅贯通了非厄米物理学中“增益-损耗工程”与“对称性调控”两大核心维度，更开辟了通过外部光学参量动态重构声学非厄米体系、进而实现多态相变的新路径。

该平台由激光诱导光声增益系统与声学PT对称测量系统构成，如图1所示。

图1. 光声非厄米系统的示意图

图2. 非厄米系统在传递矩阵条件下的散射响应展现出可控的相变行为

在理论建模中，厚度可忽略的CNT薄膜声学增益被等效为内嵌声学特性导纳；通过精确调控该导纳的实部与虚部，可实现对系统PT对称性及反PT对称性的主动调控，并诱导非厄米相变，相关理论结果如图2所示。

图3展示了在不同CNT薄膜声学参数条件下，非厄米系统在增益-损耗耦合变化时的相变行为，并基于散射矩阵的幅值、相位及本征值进行系统表征；同时给出了三类EP点——即PT对称、反向PT对称以及反PT对称EP点处的声场分布。结果清晰表明：三类EP点分别对应于三种典型散射特性——损耗端单向透明、增益端单向透明，以及双向反射共轭且透射系数为实数。

进而，研究人员在实验中固定CNT薄膜的声学参数及增益-损耗耦合强度，通过扫频测量，在设计工作频率6 kHz处成功观测到LIT诱导的声学非厄米系统相变，如图4所示。

图3. LIT诱导的声学非厄米系统的相变

图4. LIT诱导声学非厄米系统相变的实验实现

进一步地旋转激光束，研究团队通过LIT首次在实验上实现了具有确定拓扑荷的声涡旋束（Vortex Beams，VBs）的按需生成与动态调控。更关键的是，实验观测到准PT对称散射响应EP点处出现的拓扑荷数反转。该结果标志着声涡旋束体系中PT对称性的首次实验实现，为探索结构化声场中的非厄米相变建立了一个强大且通用的平台，如图5所示。

图5. LIT诱导的声涡旋体系中PT对称散射EP点

相关研究成果于2026年2月26日以“Experimental observation of non-Hermitian phase transitions using laser-induced thermoacoustics”为题发表于《自然 ∙ 通讯》上（Nature Communications 17, Article number: 3236 (2026)）。南京大学为第一作者单位和第一通讯单位，物理学院张海啸博士后和范仁浩副教授为论文共同第一作者，程营教授、彭茹雯教授、刘晓峻教授以及西班牙马德里材料研究所Johan Christensen研究员为共同通讯作者。物理学院博士后熊威在实验中提供了重要支持。该项工作得到了人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省物理科学硏究中心的支持，并获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、江苏省自然科学基金等项目资助，也得到南京大学国际合作提升计划资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69986-w