使用轨道超原子的TPs概念
拓扑对模型与理论
轨道超原子结构：由“0”和“π”相元素构成的周期性角超晶胞组成，携带相反且正交的轨道角动量(OAM)模式±q(q为拓扑电荷)。两个轨道超原子通过近场耦合可形成四种拓扑对，其中(+q,-q)和(-q,+q)拓扑对总轨道电荷为零且在模式空间共轭。
干涉原理：当平面波通过两个加载在圆柱波导中的轨道超原子时，会逐渐转换为±q的OAM模式再转换回平面波。若两个超原子相对扭转角度θ，会因OAM转换在模式空间的循环演化产生几何相位差，导致干涉效应，其输出强度符合声学类比的马吕斯定律。
实验设计：设计并制作两种相位单元“0”和“π”，将其排列成超晶胞进而构成轨道超原子。通过3D打印制作q=2和q=4的轨道超原子样品，实验装置包括阻抗管、四个麦克风、超原子样品和数据采集系统。
实验结果：实验观察到传输波的干涉效应，其振荡周期与扭转角度θ符合理论预测，证明了角分辨率的q倍放大，为角位移计量提供了可能。
对马吕斯定律进行声学模拟的实验演示
声学测微计的设计与验证
设计原理：受物理微米计螺旋放大原理启发，通过在轨道超原子上加载相互匹配的螺纹实现螺旋扭转位移Δd=θd/2π(d为螺距)，位移信息编码在干涉强度中。 有效测量范围确定：考虑OAM波的衰减因子e⁻ᵃΔᵈ，通过实验和耦合模理论分析确定测量范围。选择q=4的超原子制作不同螺距的三个原型，实验结果与理论值在初始扭转区域匹配，随着纵向位移增加逐渐偏离，主要是由于超材料单元的相位失真和空气隙中的损耗。 位移测量与精度验证：用d=16mm的声学微米计进行实验，通过对100次测量值平均提高精度，得到位移缩放函数，实验测量的位移与物理微米计测量结果匹配，最大误差为0.2%。
声学测微计的灵敏度与分辨率
灵敏度分析：理想情况下灵敏度最大值为2qπ/d。考虑实际损耗和相位失真，计算实际最大灵敏度位置和值，损耗虽影响性能但可提高灵敏度，不同螺距样品的理论和实验灵敏度结果一致。
分辨率测量：在对应线性区域内，通过多次测量两个位置的干涉强度，统计分析得到不同位移下的分辨率。当位移为1.2μm时，估计误差为0.2μm，分辨率达到约 λ/10⁵，通过减小螺距和增加拓扑电荷可进一步提高分辨率。
文章链接
https://doi.org/10.1038/s41467-024-52593-y
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