2017年3月30日
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《Physical Review Letters》发表声学研究所刘晓峻教授课题组最新研究成果

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 (2017)]。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。

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(例如空气声和水声),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。

根据经典声学理论,传统的声学多极子模式(例如偶极子以及四极子),声波能量向固定方位向外辐射,无法形成类似自旋的旋转声场。刘晓峻教授课题组提出了在无流速背景的超材料声子晶体中构造声学赝自旋偶极子和四极子模式,并实现可调控声波拓扑传输的普遍性理论方法。首先,对蜂窝状晶格声子晶体的初基原胞旋转30度并放大,使得蜂窝状晶格变为由六个单元组成的超元胞组成的三角晶格,通过能带折叠理论形成双狄拉克锥(图1)。然后,在保持所有单元不变的情况下仅依靠收缩或者扩大超元胞内各单元的间距,可以打破双狄拉克锥形成带隙。研究发现,在带隙附近的声压场分布呈现出类似于电子p/d轨道的对称形式,而平均声强沿顺时针或逆时针转动,即产生了区别于传统声学多极子模态的有效声学赝自旋偶极子和四极子。研究进一步发现,收缩超元胞内单元时晶体能带呈现平庸态(trivial),即赝自旋偶极子模式频率位于赝自旋四极子模式之下,与传统声学理论一致;而扩大超元胞内单元间距时赝自旋偶极子模式频率跃居赝自旋四极子模式之上,为非平庸态(nontrivial),从平庸态到非平庸态表明发生了能带反转(图2)。在平庸态晶体和非平庸态声子晶体之间的边界上可以形成声赝自旋与传输轨道相耦合的声拓扑边界态,不同赝自旋态之间的边界态传输没有干扰,并且通过调节超元胞内单元的间距可以实现可调控的、任意形状的拓扑边界。同时,这种拓扑边界态拥有背向散射抑制能力以及很好的鲁棒性,拓扑边界上的空腔、无序排列以及弯曲等缺陷不仅不会引起背向散射,而且不会改变边界声传输的自旋态(图3)。这种产生声学赝自旋多极子模式的普遍性方法还可以进一步推广到“气-液”、“固-液”、“固-气”等多种基本的声学体系中。

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。

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

图2:(a)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。(b)p/d轨道反转,即能带发生反转。(c)-(d)赝自旋向上、赝自旋向下对应的声强分布。

图3:(a)-(b)拓扑边界赝自旋向下态沿边界顺时针传输。(c)在乱序、弯曲以及空腔干扰下声波的拓扑边界传输具有很好的鲁棒性。

(物理学院 科学技术处)