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2020年1月22日
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《Advanced Materials》發表聲學研究所劉曉峻教授和程營教授課題組在聲學高階拓撲絕緣體研究領域最新研究成果

欧美高清videosedexohd我校物理學院聲學研究所劉曉峻教授和程營教授課題組在深亞波長高階聲學拓撲絕緣體研究方面取得重要進展,他們基于穿孔板結構成功構造了深亞波長尺度的二階聲學拓撲絕緣體,實驗上實現了同時存在于三個頻帶的低維角態,并且基于此結構提出了一種聲學成像器件,相關研究成果以《Deep-Subwavelength Holey Acoustic Second-Order Topological Insulators》為題發表在國際權威期刊Advanced Materials [Adv. Mater. 31, 1904682 (2019)],并被選為內頁封面(圖1)。南京大學物理學院博士研究生張志旺和龍厚友博士為論文共同第一作者,程營教授、劉曉峻教授及西班牙馬德里卡洛斯三世大學Johan Christensen教授為論文的共同通訊作者。

劉曉峻教授和程營教授課題組與Johan Christensen教授合作在之前的工作中[Phys. Rev. Lett. 122, 195501 (2019)],理論上提出了厄米共軛和非厄米共軛體系中聲學二階拓撲絕緣體的構造方法。在聲學厄米系統中,可通過收縮和擴大正方晶格超元胞內單元間距打破能帶簡并形成帶隙,并且通過計算二維Zak相位,發現這兩種結構分別為拓撲平庸態(trivial state)和拓撲非平庸態(nontrivial state),那么聲能量局域在拐角處的拓撲角態將存在于非平庸態聲子晶體的拐角處。

基于上述的原理,課題組研究人員希望可以進一步在實驗上實現深亞波長尺度、多工作頻帶且不受空間限制的二階聲學拓撲絕緣體,并提出一種基于高階拓撲絕緣體的超衍射極限成像聲學功能器件。首先,研究人員通過在硬質基底材料上打孔的方式構建正方晶格,取相鄰四個孔為一個超元胞,通過縮小和擴大孔間距D可以構造具有不同二維Zak相位的聲子晶體。值得注意的是,這種結構同時存在著三個發生拓撲相變的能帶頻段,并且均位于聲學線(sound line)下方,分別對應于一階、二階和三階共振,所以聲波將以類聲學表面波(spoof surface acoustic wave)的形式傳播。根據原理,角態存在于非平庸態聲子晶體的拐角處,所以研究人員構造了如圖2(a)所示的“回”形有限聲子晶體(即中心區域為非平庸態,四周包裹平庸態結構)來實現拓撲角態,從圖2(b)所示的本征頻率和本征模式分析中可以看到,在三個不同頻段內打開的帶隙中同時存在著邊界態(edge states)和角態(corner states)。實驗測得的體態、邊界態和角態的對應峰值頻率(如圖2(c)-(d)所示)與仿真計算的本征頻率一致。值得注意的是,在這種深亞波長二階拓撲絕緣體中,聲波被高效局域在了五十分之一波長的空間內。

對缺陷擁有較好的魯棒性是拓撲絕緣體的一大特點。如圖3(a)所示,研究人員通過填充不同位置的空腔來引入各類缺陷。在有無缺陷情況下拓撲角態的實驗譜圖(圖3(b)-(d))表明,研究人員提出的這種深亞波長聲學拓撲絕緣體對單元缺失缺陷具有很好的魯棒性。同時,研究人員也證明這種結構對其他類型的缺陷也具有很好的魯棒性。基于上述深度亞波長尺度聲場魯棒性局域等特點,研究人員進一步嘗試構建了一種聲學成像功能器件,如圖4所示。值得注意的是,這里可通過編程操作排列平庸結構和非平庸結構來構建所需成像結構,比如可以按照圖4(a)的排列方式形成“心”形的聲學圖形。如圖4(b)-(c)所示。研究人員在仿真計算和實驗上也成功觀測到了明顯的“心”形圖形,和理論結果一致。更重要的是,這種成像原理不僅可以運用在形狀成像上,還可用于較復雜的字母成像中,比如字母“A”和 “M”,具體的單元排列方式和聲場分布如圖4(d)-(g)所示。

該工作將高階拓撲絕緣體理論與新原理聲學功能器件相聯系,為深亞波長尺度的、具有較好魯棒性的聲能操控和聲學器件設計提供了新的思路。

該項工作得到國家重大科學研究計劃(2017YFA0303702)、人工微結構科學與技術協同創新中心、國家自然科學基金、江蘇省杰出青年基金和南京大學博士研究生創新創意研究計劃項目的支持。

圖1:《Advanced Materials》31卷49期內頁封面。

欧美高清videosedexohd圖2:(a) “回”形聲子晶體示意圖,平庸(trivial)結構的初基元胞由超元胞內腔體收縮間距構成,而非平庸(nontrivial)結構則由擴大間距組成。(b) “回”形聲子晶體對應的本征頻率。(c) 實驗裝置示意圖。(d) 實驗測得的角態、邊界態和體態對應的譜圖。

圖3:(a) 在邊界上隨機地引入一些缺陷。(b)-(d) 引入不同缺陷位置時,實驗測得的三個頻帶內的角態譜圖。

欧美高清videosedexohd圖4:(a) 心形聲學成像器件的結構排布。(b) 仿真和實驗結果。(c) 結構表面上方0.1 mm處聲強分布。(d)-(g) 字母“A”形和“M”形成像器件的結構排布和聲強分布。

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