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自己校在三维声学拓扑态的商讨中收获关键进展

发布时间:2019-11-01 17:12编辑:环球彩票登录网址浏览(188)

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    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。

    在两个具有相反有效质量声子晶体的锯齿形二维界面处,可实现具有马鞍面形状的赝自旋-能谷耦合表面态。一般而言,能带的拓扑性质往往在边界处表现出来,因此,二维的拓扑声子晶体只具有一维拓扑边界波导或零维角态,而三维拓扑声子晶体则可具有二维拓扑表面,这更利于调控,也更接近实际应用。更为重要的是,基于这种三维拓扑声子晶体,可为空气纵声波构造全矢量的声赝自旋。所有布洛赫球上的声赝自旋态均可由该模型实现,这也是二维情况下无法实现的。

    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。

    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。

    图4. a, 增加z向晶格常数情况;b,投影能带;c,具有开孔形状的表面态;d-e,沿x方向和z方向传播的声拓扑表面态透射谱,其中声表面态带隙处对应开孔大小。

    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。

    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。

    这一工作是理论模型—材料制备—精密测量三个方面结合的结果,其中理论模型与物理学院王怀强副研究员和张海军教授合作完成。现工院/材料系的何程、余思远及博士生葛浩为论文的共同第一作者;何程、卢明辉及陈延峰是论文的共同通讯作者。课题得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

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    通过精确选择结构参数并通过3D打印技术制备了三维拓扑声子晶体。实验测量表明:三维拓扑声子晶体具有强背散射抑制的界面传输特性,弯折缺陷对透射率的影响很小。这种拓扑传输在整个二维界面内均可实现。需要特别指出的是:在鞍点处,二次型的能带色散会抑制声波传输,出现一个较为尖锐的表面态能谷,可用于表面态滤波,也可用于实现表面慢声传输以及高品质因子的表面声学微腔。

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    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。

    图1. a)双层六角晶格堆砌结构示意图;b)“声原子”由声学共振腔构成,近邻原子之间由管道连接;c)布里渊区示意图;d-f)体能带随频率的演化图。

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    (物理学院 科学技术处)

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    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。

    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。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,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。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。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。

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    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。

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    图2. a)kxz方向投影的边界布里渊区示意图;b)锯齿形界面示意图;c)界面投影能带;d)具有马鞍面形状的表面态;e)声赝自旋态由对称和反对称态构成。f)声赝自旋布洛赫球表示。

    图4:拓扑声学天线的抗干扰信号接收能力。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。在没有天线位置接收到的时域信号和频谱。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。

    图3:拓扑边界赝自旋向下态沿边界顺时针传输。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。

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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。

    拓扑态是近年来凝聚态物理研究的热点问题,其能带结构的拓扑性质使其边界态具有“背散射抑制”的传输特性。该边界态因为受到拓扑对称性保护而具有鲁棒特性,可以免疫各种不同的缺陷和杂质,保证了传输具有新的空间传播自由度和近乎为零的散射损耗。在前期二维声/光学拓扑态的研究基础上[Nat. Phys. 12, 1124 ;PNAS 113, 4924 ;Nat. Commun. 9, 3072 ],本研究将声学拓扑态从二维推广到三维体系。研究组利用声学微腔构造了由双层六角晶格堆砌而成的三维声子晶体,通过引入滑移对称性,破缺了z和x方向镜面对称性,形成全方向带隙;而原来四重简并点也破缺成两个两重简并,该两重简并受滑移对称性保护,在特定方向上满足赝时间反演对称性,从而可用于实现空气纵声波的赝自旋以及赝自旋-能谷耦合表面态。

    (物理学院 科学技术处)

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    图2: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。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。不同边界条件下实验测得的透射谱。

    图3. a)沿x方向传播的声拓扑表面态透射谱;b)对应的声场分布;c)沿z方向传播的声拓扑表面态透射谱;d)对应的声场分布。鞍点处对应透射极小值。

    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。

    (现代工程与应用科学学院 科学技术处)

    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。

    南京大学固体微结构物理国家重点实验室、现代工程与应用科学学院/材料科学与工程系、物理学院、人工微结构科学与技术协同创新中心的何程、卢明辉和陈延峰研究团队与张海军课题组合作,在理论上设计和研制了三维拓扑声子晶体。相关工作以“Three-dimensional topological acoustic crystals with pseudospin-valley coupled saddle surface states”为题于2018年11月1日在线发表在《Nature Communications》杂志上。

    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。

    这个工作的重要意义在于:1)首次提出并在实验上实现了三维拓扑声子晶体中的赝自旋-能谷耦合表面态,有望应用于声传播调控和降噪隔声等领域;2)实现了多方向且各向异性可控的声拓扑表面传输特性,它更接近实际应用;3)提出了一种利用纵声波构造全矢量声赝自旋的方案,未来有望开发并应用于声赝自旋器件。工作发表后,欧洲物理学会新闻网站Physics World第一时间以“3D acoustic crystals go topological”为题进行报道。

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    关键词: 环球彩票登陆 教授 拓扑 声学 研究成果