撰稿|由课题组供稿
近日，苏州大学杭志宏教授课题组基于由可调制的声学超材料和蜂窝晶格声子晶体构建的复合拓扑声学超材料实现了声学量子自旋霍尔效应。研究团队基于晶格内耦合与晶格间耦合相互竞争的静电相互作用理论模型，通过单片机控制系统实现了声学超材料内旋转角的调制，从而实现了拓扑域的重新配置和带隙大小的调节，显著提升了拓扑声学中超材料的可重构性。研究成果以“Realization of the Quantum Spin Hall Effect Using Tunable Acoustic Metamaterials”为题发表在《Physical Review Applied》上。论文第一作者为苏州大学物理科学与技术学院2022级博士研究生陈家禾同学。论文通信作者为苏州大学物理科学与技术学院杭志宏教授。
声学超材料通过人工结构设计实现了前所未有的材料性能，在声学领域有着广泛的应用。通过实现具有不同晶格对称性的复杂晶格，拓扑声子晶体已成为展示有趣拓扑特性和新应用的有效平台。基于单片机控制系统的可编程声学拓扑绝缘体和可编程二阶拓扑成像等直接将拓扑声学提升到了应用层面。利用频带特性，还可以实现定向拓扑天线和用于声波能量定向分配的多端口阀。然而，拓扑声学中的可调制性仍然有待于进一步丰富和实现。
复合拓扑声学超材料由圆柱形散射体（灰色区域）和矩形散射体（蓝色区域）组成[图1(a)]。每个矩形散射体相对于其自身中心的旋转角θ可以调节。作为复合拓扑声学超材料，它的能带结构及其拓扑特性可以通过超材料（矩形散射体）和声子晶体（圆柱形散射体）的设计调控，这是对声学量子自旋霍尔效应研究的最新推广。研究团队重点研究了矩形散射体旋转角的影响。为了便于在实验中调节旋转角θ，可以基于单片机设计旋转系统[图1(b)-1(d)]。这种设计为实验中实现可重构的拓扑声学超材料奠定了基础。
图1. (a) 由六个圆柱形散射体和六个矩形散射体组成的具有非平庸拓扑特性的复合拓扑声学超材料的示意图。(b) 旋转系统中具有平庸拓扑特性的单元的俯视图照片。(c) 旋转系统中步进电机和齿轮的侧视图。(d) 带有驱动板和控制板的旋转系统的照片。
在此基础上，研究团队通过简单调制部分原胞中超材料的旋转角，实现了拓扑域的重新配置，从而可以非常方便地调节声波的传播方向（图2）。此外，研究团队通过调节右上区域的旋转角，调节了该区域原胞的带隙大小，显著地调控了声波能量分配比例（图3），并通过多层实验平台的设计和搭建，实验验证了声波能量分配比例随右上区域旋转角的变化（图4）。
图2. (a) 拓扑多端口阀的示意图，用于在由四个域和四个端口组成的拓扑通道交叉点处划分界面态。频率为5.66 kHz时 (b) α = 60°，(c) α = 90°和(d) α = 120° 的声能量密度分布。
图3. (a) 拓扑多端口声功率分配器的示意图，由四个域和四个端口组成。(b) 端口2（黑色实线）、端口3（红色实线）和端口4（蓝色实线）的透射谱随右上区域旋转角θ的变化。(c) 原胞带隙大小随右上区域旋转角θ的变化。频率为5.66 kHz时，右上区域旋转角(d) θ = 60°，(e) θ = 90°和(f) θ = 120° 的声能量密度分布。
图4. (a) 拓扑多端口阀的实验装置。(b) 由四个域和四个端口组成的样品的照片。右上角的可调制区域由红色虚线框标记。(c) 频率为5.66 kHz时，根据(b)中的样品尺寸模拟的端口2（黑色实线）、端口3（红色实线）和端口4（蓝色实线）的透射谱随右上区域旋转角θ的变化。实验测量端口2（黑色空心正方形）、端口3（红色空心圆）和端口4（蓝色空心三角形）的透射谱。
该工作进一步丰富了拓扑声学中的可调制性，为设计具有更加广泛应用前景的拓扑声学器件奠定了基础。该工作获得了国家自然科学基金、江苏省高等学校优势学科建设工程资助项目的支持。
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.18.044055
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