全新宇称超构材料（Parity Metamaterials）

研究背景：

宇称变换，即P:(x,y,z)→(−x,−y,−z)，是基础的物理对称操作。在超构材料领域中，宇称变换曾经和时间反演结合在一起产生PT对称，并揭示了实数本征值和奇异点等有趣的非厄米性质。类似于物体和其在镜中的像，宇称变换可以在物体和其宇称翻转结构之间建立起一一对应关系。但需要指出的是，宇称变换并不完全等同于镜面翻转操作M:(x,y,z)→(x,y,−z)，而是镜面翻转加180度旋转操作。至今为止，宇称变换很少被单独用于超构原子和超构材料的设计。另一方面，声纳罩广泛应用于在空气和水下环境中保护声纳设备。为了确保信号采集的准确性，它们通常由均匀材料制成，以实现宽带透射无失真。然而，这种均匀性也不可避免地保留了声纳装置的反射特征，使其难以在声学上隐身。与之相对，数字编码超表面虽可灵活改变反射特征，却往往会破坏透射信号的一致性，导致声纳功能受损。因此，如何在单一材料体系中兼顾宽频无失真透射与可调反射伪装，一直是声学领域的重要挑战

研究进展：

本研究首次将物理学中的宇称变换单独引入超构材料设计。研究团队利用任意形状的无对称性超构原子与其一一对应的宇称翻转结构，构建了宇称超构材料。研究表明，在宇称变换和互易性原理的保护下，该超构材料能够保证透射波前在超宽频范围内保持不变。同时，反射波前却可以被灵活动态地调控，从而模拟平坦地形、崎岖地形或周期地形等不同的声学反射特征，仿佛章鱼在改变外观进行伪装的同时，依然能感知周围环境（图1）。

宇称超构材料产生这种有趣现象的物理原理如下。我们先从构成这种超构材料的超构原子及其宇称翻转结构（P₁ 和 P₂）的散射特征来看。如图 1(f) 所示，假设 P₁ 的透射系数和反射系数分别为 t 和 r。当系统满足互易性时，互易原理保证了入射通道和透射通道互换后，透射系数保持不变，即 t' = t（见图 1(g)）。相反地，反射系数在交换后可能出现明显差异，即 r' ≠ r。随后，对系统进行宇称变换（图 1(h)），P₁ 会转化为其宇称翻转结构 P₂，其透射系数依然与 P₁ 相同，即 t" = t' = t。这种等价性与超构单元的几何细节、频率以及入射角无关。因此，由 P₁ 和 P₂ 组成的宇称超构材料在透射侧表现为一个均匀介质，使声波透过时波前保持不失真。反射侧则不同，在宽频范围内满足 r" = r' ≠ r，因此宇称超构材料在反射侧可视为一个非均匀介质。通过旋转内部转子，可以同时改变超构原子及其宇称翻转结构，但仍保持它们之间的宇称变换关系，从而实现在保持透射波前不变的同时，灵活调控反射波前。

图 2(a) 和 2(b) 展示了旋转转子后宇称超构材料的三维远场辐射图。当频率为 5680 Hz 的平面波自下而上垂直入射时，透射波始终与入射波方向一致，而反射波则会从“双束反射”转变为“镜面反射”。近场结果（图 2(c) 和 2(d)）同样验证了这一现象。实验结果和仿真结果吻合（图 2(e) 到 2(h)）。更为重要的是，当这种宇称超构材料应用于声呐系统时，它能显著削弱声呐的镜面反射信号，使探测难度大幅增加，从而实现类似章鱼伪装般的“声学隐身”效果。

未来展望：

宇称超构材料的提出填补了宇称变换在超构原子和超构材料设计中的应用空白。通过对称性保护，实现了超宽频段透射无畸变，而反射可调的宽带超构材料。这不仅为声学隐身与波动调控提供了全新思路，也揭示了宇称变换在人工材料中的深远作用。不同于PT对称超构材料，这一设计策略不依赖于全局对称性或增益—损耗平衡，因而其功能更加鲁棒和普适。未来，这一原理有望扩展到水下声学、弹性波等更广泛的波动系统中，为下一代声呐隐身、宽频通信以及自适应超表面等应用提供新的可能。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0826