近日，南京师范大学、南京大学与沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究团队合作，在声学超材料与拓扑物理交叉领域取得重要突破，首次实现了不依赖偶然简并的双零介质。相关成果以《Deterministic Double-Zero Media and Robust Wave Manipulation Using a Phononic Weyl Semimetal》为题，发表于《Physical Review Letters》。该工作的第一作者是南京师范大学徐常清教授和南京大学施锦杰博士，通讯作者是南京师范大学徐常清教授，南京大学赖耘教授，陈泽国副教授，阿卜杜拉国王科技大学吴莹教授。
双零介质的两个本构参数（在声学中为有效质量密度与压缩比）同时趋近于零，能够实现不依赖阻抗匹配的全透射，因此在隐身、波束整形和信号处理等领域具有巨大潜力。然而，此类材料通常依赖偶然简并，对材料参数和结构扰动极其敏感。
有鉴于此，研究团队提出了一种全新的设计思路：通过对三维声子晶体的晶格对称性进行分析，实现了一种在布里渊区中心稳定存在的拓扑荷为2的Weyl点。该Weyl点附近呈现出沿一个方向线性色散、沿另两个方向二次色散的特性，在线性方向具有双零性质，并且对结构扰动具有高度鲁棒性。对于平面波，该声子晶体沿线性色散方向可实现全透射；沿二次色散方向则呈现强烈的阻抗失配，从而有效抑制波的传播。
图1. 布里渊区中心的拓扑荷为2的Weyl 点。(a)该Weyl点附近沿z方向有线性色散，沿x(y)方向有二次色散。(b)该Weyl点的自旋结构。(c)绕Weyl点极角变化时的Berry相位。(d)不同几何参数下，沿线性色散方向的有效质量密度和有效压缩比。
研究团队基于铝棒构建了这一声子晶体，并通过实验观测到该Weyl点的存在及其导致的一系列波操纵现象，如频率可调的波束准直：入射波在不同的Weyl点频率下均可沿线性方向传播，且波束保持平直。
图2. 研究团队基于铝棒构建了这一声子晶体。(a)该声子晶体的实物照片。(b)该声子晶体的原胞结构。(c)其布里渊区。(d)该声子晶体的能带。(e)Weyl点附近能带结构的实验结果。(f, g)两组不同几何参数下，Weyl点的频率变化，但其位置保持不变。
图3.频率可调的波束准直现象。(a)不同几何参数下，声子晶体中沿线性色散方向的有效质量密度和有效压缩比在Weyl点处均为零。(b) 声子晶体及其有效介质的透射率对比。(c,d)不同几何参数下，Weyl点频率处的波束准直现象。(e,f) 蓝色和黑色曲线是存在/不存在声子晶体时，远场辐射的计算结果。红色圆圈是声子晶体存在时的实验结果。
正负折射的可控切换：通过调整晶格常数，可在同一系统中实现从负折射到正折射的切换。
图4. 通过调整几何参数切换正负折射。(a)实验设置图。(b,c)不同几何参数下，同一频率处的等频率曲线预示着正/负折射的切换。(d,e)变换几何参数时，同一频率和同一入射角下的负折射和正折射现象。
这项研究将拓扑材料的鲁棒性与双零介质的波操控能力相结合，提出并实现了一种稳定可控、工作频率和结构参数可调的双零介质。该策略也适用于遵循电磁波动方程的系统，如光子晶体。该成果初步解决了零折射率介质对偶然简并的依赖，有望对波调控相关的实际应用产生正面影响。
论文信息：
论文题目：Deterministic Double-Zero Media and Robust Wave Manipulation Using a Phononic Weyl Semimetal
作者：Changqing Xu*#, Jinjie Shi#, Xiaozhou Liu, Ze-Guo Chen*, Ying Wu*, Yun Lai*
发表期刊：Physical Review Letters 135, 046902 (2025)
DOI：10.1103/vzp2-6gns
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