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《Advanced Materials》发表声学研究所刘晓峻教授、

发布时间:2019-11-17 12:32编辑:产品评测浏览(81)

    这种谷霍尔拓扑绝缘体的另一大特点在于,当声子晶体的终端边界为zigzag边界时,声波从拓扑波导出射后在与空气之间的界面上不会发生背向散射,并且满足广义斯涅尔定律,从而可以沿特定角度辐射高指向性声束。如图3所示,K谷激发的声波沿Negative边界向右传输至终端边界时,可以通过斯涅尔定律得到声波出射的方向角θ。实验测得辐射声束能量半高宽小于10°,声束效率(Beam Efficiency)达到97.51%。如图3,实验上也证明其工作频段与拓扑边界态所处频段一致,即实现了高指向性的宽频声学辐射天线。图3为K’谷激发的声波沿Positive边界向右传输时天线辐射角的理论及实验验证,表明我们可以通过设计声子晶体的结构实现辐射角度从正到负的转变。这种拓扑声学天线不仅可以辐射指向性声波也可以用来接收特定方向的声信号,并且在复杂的声学背景环境中同样适用,这为我们从嘈杂环境中定向提取目标信号提供了可能。如图4所示,我们需要从背景噪声中提取目标正弦信号,在没有拓扑声学天线的位置实验测得的时域信号和变换后的频域信号)表明目标信号已经完全被背景噪声淹没。而经过拓扑声学天线的定向接收和特定频段信号提取之后,如图4所示,背景噪声被隔离在天线之外,而目标信号被接收。

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    图1:拓扑声学天线示意图。左图显示拓扑声学天线具有高指向性的声辐射能力且波束宽度窄,不会对其他范围听者产生干扰。右图显示在复杂声学背景环境中,拓扑声学天线仍然可以根据需求从中接收特定角度、频段的声信号而其他信号对此不产生干扰。

    该项工作得到国家重大科学研究计划(2012CB921504)、人工微结构科学与技术协同创新中心、国家自然科学基金和江苏省杰出青年基金的支持。

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    图3:沿Negative边界向右传输的声波从端口出射后辐射方向的理论分析、仿真结果以及实验验证,出现负折射现象。沿Positive边界向右传输的声波从端口出射后的辐射方向的理论分析、仿真结果以及实验验证,出现正折射现象。

    电子的自旋-轨道耦合带来了许多引人入胜的现象和重要的应用,包括拓扑绝缘体和自旋电子学。量子霍尔效应以及量子自旋霍尔效应都依赖于电子的自旋属性,然而对于声波而言,其纵波振动的本质导致不存在天然的自旋属性,因而实现声学拓扑态有一定的困难。研究者开始探索在传统的经典波系统,如声学系统中,是否会出现与自旋-轨道耦合类似的类量子效应,如果存在这种效应,又会带来怎样的启发。最近,有科学家提出利用背景流速场实现声类似量子霍尔效应,或构造耦合环形波导结构实现声类似量子自旋霍尔效应的理论方法以及实验验证,但是由于复杂的构造要求以及数倍波长的晶格尺寸要求,使得这些方法在设计和实际应用上有很大难度。

    该项工作得到国家重大科学研究计划(2017YFA0303702)、人工微结构科学与技术协同创新中心、国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金和南京大学博士研究生创新创意研究计划项目的支持。

    我校物理学院声学研究所刘晓峻教授课题组在拓扑声子晶体研究方面取得进展,他们在声子晶体中发现声学旋转多极子模式,并且成功构造无流体背景场中的声拓扑绝缘体,相关研究成果以《Topological creation of acoustic pseudospin multipoles in a flow-free symmetry-broken metamaterial lattice》 为题于2017年2月23日发表于Physical Review Letters[Z. W. Zhang et.al, Phys. Rev. Lett. 118, 084303 ]。论文第一作者为2015级硕士研究生张志旺,程营副教授为论文的共同通讯作者。

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    (物理学院 科学技术处)

    (物理学院 科学技术处)

    图2:通过收缩和扩大超元胞内单元间距打破双狄拉克锥形成带隙。p/d轨道反转,即能带发生反转。赝自旋向上、赝自旋向下对应的声强分布。

    近些年来,拓扑学在声学系统中的研究成为领域研究热点,声学拓扑边界态的无损传输以及较好的鲁棒性等特点为新型声学功能器件的探索提供了新的思路。刘晓峻教授、程营教授课题组设计了一种基于声学谷霍尔拓扑绝缘体的高指向性声学天线,并通过实验验证了其在嘈杂声学环境中的高指向性辐射和接收声波的功能。首先,通过对声学二维Kagome晶格初基元胞中三单元间距的收缩以及放大,在第一布里渊区顶点上产生了具有不同谷自由度的谷态,并且在一定频段产生完全禁带。如图2所示,虽然收缩和放大单元之后声子晶体的色散图没有发生变化,但是第一布里渊区顶点处的谷自由度发生了反转,表现为谷态声强的方向发生了互换。这种反转可以用等效谷陈数(valley-Chern indices)理论来解释,不同的扰动会导致符号相反的谷陈数,而在不同谷陈数系统之间的边界上就会产生受拓扑保护的谷传输边界态,如图2所示,根据不同谷陈数系统的位置变化可以将边界分为Positive边界和Negative边界。图2表示实验上测得的有弯曲缺陷边界和没有缺陷情况下的透射谱,表明这种谷传输边界态对弯曲缺陷具有较好的鲁棒性。

    图1:变换前后元胞的第一布里渊区。布里渊区折叠过程。能带折叠过程。超元胞组成的三角晶格色散图上形成双狄拉克锥。

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