撰稿| 刘真真
导读
声谷霍尔拓扑绝缘体中的谷界面态是近年来声学拓扑系统研究的热点。近日，昆明学院物理科学与技术学院杨海教授课题组和中国科学院北京声学研究所贾晗教授课题组合作，通过两种不同谷界面态的研究，不仅在理论上展示谷界面态的声波分束和聚合现象，而且在实验中验证了谷界面态的多通道传输。研究成果以“Multichannel Topological Transport in an Acoustic Valley Hall Insulator”为题，发表在APS国际物理学期刊 Physical Review Applied 上。论文第一作者是王振雨，通讯作者是昆明学院杨海、金国钧教授，北京声学所杨玉真博士、贾晗研究员，昆明学院研究生李厚银、王瑱男、江波、杨柠境。
在声谷材料中，有两种性质不同的谷态。一种是具有涡旋手性的谷体态，另一种是谷界面态，后者具有单向的和鲁棒的声学传输。此外，这种谷界面态可以用来实现许多有趣的现象，如层间转换器、声波负折射。最近，一些研究将声学拓扑超材料中的谷态扩展到更复杂的系统，然而相对传统的拓扑现象仍然需要进一步探究。比如在声谷材料中能否获得可控逻辑门？能否设计一些可行的波导来获得多通道传输？就这两个问题，本文给出了详细探究。
在研究中，对具有C3v对称的空心三开口圆柱构成二维三角晶格，它的空间反演对称性可以通过旋转来打破，对称性降为C3，以此实现对称破缺。如下图1，给出二维声子晶体结构、不同旋转角度对应的能带结构和相变图。
图1二维声子晶体、带结构和相变图。
根据上图中的相变图构造具有不同界面（Zigzag界面和Armchair界面）的异质结，如下图2所示。可以看出，具有Armchair界面的异质结构的谷界面态存在于整个动量空间中；然而，具有zigzag界面的异质结构的谷界面态只存在于动量空间的一半。因此，具有zigzag界面的异质结构的谷界面态是纯谷态，而具有armchair界面的异质结构的谷界面态是混合谷态。这种特性为交叉波导中的声波分束和聚合提供了基础。
图2 具有Zigzag界面（水平）和Armchair界面（竖直）的两种异质结构、对应的色散关系，以及相应的的总压力场分布。
图3 谷界面态的鲁棒性
在界面相互垂直的交叉波导中，实验验证了理论上的声波分束和聚合，如下图4所示。
图4 谷界面态声波分束和聚合和逻辑门功能。
最后，在上述结果的基础上，实现声波分束和聚合，并在实验上实现复杂波导中谷界面态的多通道输运。如下图5所示，利用具有不同路径的复杂波导，可以将某个方向的声波近乎无损的传输到一或多个特定的方向，例如单通道传输中向右传播，双通道传输中向上和下传播，以及三通道传输中向上、下和右传播。此外，只要谷界面状态频率合适，不同方向传输的声波振幅可以使之相等。这些结果有助于利用具有不同界面的复杂波导构造多通道声谷拓扑输运器件。
图5多通道传输的实验验证
本研究工作利用zigzag和armchair界面的谷界面态的差异，不仅实现了交叉波导谷界面态的声波分束聚合现象，并得到了一个可控逻辑门。更重要的是，谷界面态的多通道声学拓扑输运得到了模拟和实验的验证。研究为探索复杂波导中多通道声谷拓扑输运提供了一种有效的方法，这种方法可以推广到其他声谷材料(如水下和弹性声子晶体)。
文章链接
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.15.024019
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除），所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
