手性保护下的极端非对称声学信息传输：实现噪声免疫的高安全通信新策略

研究人员针对传统涡旋光束传输中拓扑电荷(TC)改变导致的信号失真问题，通过径向模式调制创新性地实现了手性保护的极端非对称声学传输。该研究利用轴向调制的非侵入性超材料驱动径向模式单向演化，在正向实现100%涡旋传输的同时保持拓扑电荷不变，反向则完全隔离。实验证明该方法可在-25dB极低信噪比(SNR)下实现抗噪声图像传输，为高安全声学通信提供了新范式。

　　

在声学通信领域，涡旋光束因其携带轨道角动量(OAM)的特性成为高容量信息传输的重要载体。然而传统方法在实现非对称传输时，往往通过破坏空间对称性导致拓扑电荷(TC)改变，引发信道串扰和信号失真。更棘手的是，环境噪声会严重干扰TC编码信息的完整性。这些瓶颈制约着声学通信在军事、水下探测等关键场景的应用。

为解决这一难题，Quansen Wang、Chun Liu等团队在《Nature Communications》发表研究，提出基于径向模式自由度的创新解决方案。研究人员设计了一种轴向对称的超材料结构，通过引入外部波矢Δk驱动径向模式演化：正向传播时，入射的(m,0)模式涡旋转化为(m,1)模式，保持TC不变；反向传播时则因波矢失配使涡旋进入倏逝态。这种机制既实现了极端非对称传输（正向透射率100%，反向隔离度800倍），又完美保留了信息载体的手性特征。

关键技术方法

研究采用32通道扬声器阵列生成目标TC涡旋光束，通过四层麦克风阵列进行模态分解。超材料由轴向排列的亚波长缝隙构成（厚度1.584λ，缝隙宽度0.22λ），利用不同深度(h_p)和间距(d_i)的几何参数调控Δk。采用有限元仿真验证模式演化过程，并通过声场扫描（步长0.004m）实现传输性能量化。

径向模式演化与TC保护

模拟与实验均证实：(1,0)模式涡旋在3225Hz频率下正向传输时完全转化为(1,1)模式，TC保持m=1不变（相位分布验证）；反向传输时声压幅值衰减达99.9%。频响测试显示该效应在3130-3300Hz带宽内稳定存在。

抗噪声图像传输

通过二进制移位键控将图像编码为TC=±1的涡旋序列。正向传输时图像重构准确率100%，反向无任何信息泄露。在1500-4500Hz白噪声干扰下，系统凭借TC模式正交性将非目标噪声转化为倏逝波，即使在-25dB超低信噪比下仍能识别图像（信号强度仅为噪声的1/300）。

结论与意义

该研究开创性地利用径向模式维度实现了三重突破：(1)首次在非对称传输中同时保护手性和TC，解决模式串扰难题；(2)通过Δk调控建立声学"二极管"效应，隔离比达800:1；(3)利用模式正交性实现军事级抗干扰能力。这种物理机制可推广至光波、电磁波等领域，为下一代安全通信系统提供了普适性设计框架。