2018年9月19日
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《Advanced Materials》发表声学研究所刘晓峻教授、程营教授课题组在拓扑声子晶体研究领域最新研究成果

我校物理学院声学研究所刘晓峻教授、程营教授课题组在拓扑声子晶体研究方面取得重要进展,他们利用声学谷霍尔拓扑绝缘体成功构造了具有高指向性和抗干扰能力的声学天线,相关研究成果2018年9月6日以《Directional Acoustic Antennas Based on Valley-Hall Topological Insulators》为题发表在国际权威期刊Advanced Materials第30卷36期上[Adv. Mater. 2018,1803229]。南京大学物理学院博士研究生张志旺和田野为论文共同第一作者,程营教授、刘晓峻教授及西班牙马德里卡洛斯三世大学Johan Christensen教授为论文的共同通讯作者。

在自然界中,很多动物可以依靠自身的生物组织产生高指向性声束或者接收特定方位的声信号,以此构建出独特的通信系统,比如海豚可以产生宽度约为16°的高指向性声束,用于在复杂环境中以高分辨率检测和追踪猎物。而人类由于缺乏类似功能的器官组织,导致产生和接收的声信号指向性很差。在需要高指向性声波的实际应用场景下,人们一般采用基于相控阵技术的麦克风阵列主动控制系统,而这种技术需要大尺度的阵列以及复杂的算法支持。近些年也有一些研究表明可以利用声子晶体等频线理论和声学共振腔抑制辐射等被动方法产生指向性声束,但是较窄的工作频段以及较宽的声束宽度限制了其实际应用。

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(图1)。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(a)-(b)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(c)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(d)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: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。

图2:(a)-(b)通过收缩和扩大Kagome晶格元胞中圆柱单元的间距在第一布里渊区顶点处产生具有不同谷自由度的谷态。(c)带状声子晶体色散图,表示具有不同谷霍尔相的结构之间产生拓扑边界态。(d)不同边界条件下实验测得的透射谱。

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(a)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%(图3(b))。如图3(c),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(d)-(f)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(图4(b)-(c))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(d)-(e)所示,背景噪声被隔离在天线之外,而目标信号被接收。

图3:(a)-(c)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。(d)-(f)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。

图4:拓扑声学天线的抗干扰信号接收能力。(a)拓扑声学天线只接受特定角度、频段的声信号而其他信号对此不产生干扰,正弦信号为目标信号,噪声信号为背景干扰。(b)-(c)在没有天线位置接收到的时域信号和频谱。(d)-(e)在天线中接收的时域信号和频谱,已将目标信号从背景噪声中成功提取。

该工作将拓扑声学的理论与声学新功能器件相结合,为声学器件的研究提供了新的思路,并且对进一步推动声学通信系统以及水下通讯技术的发展提供了可能。

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。

(物理学院 科学技术处)