近日，西安交通大学和南洋理工大学合作在拓扑弹性波（Topological elastic wave, TEW）研究方面取得重要进展。研究首次实现了双层弹性波拓扑绝缘体(BLEWTIs)。
研究表明，通过引入层自由度，BLEWTIs呈现出四个不同的拓扑相，这使得构建具有不同传输行为的多种类型的畴壁成为可能，从而实现了沿二维平面法线方向弹性波的层间转换及波束分离。此外，通过对双层薄板上的凸起进行夹持，消除了结构中纵波的干扰，使得能够灵活便捷的调控横波。提出的全新的高性能弹性波层间转换及波束分离方法将极大推进工程应用方面的发展，在层选择性发射器与分束器、多路径拓扑分选、层选择性能量俘获及多功能信息处理等领域具有广阔的应用前景，标志着朝着紧凑，高性能机电和光机械设备的发展迈出了重要的一步。
该研究成果以“Realization of a Bilayer Elastic Topological Insulator”为题发表于《Advanced Science》。西安交通大学机械工程学院博士生马承志为论文的第一作者，西安交通大学的吴九汇教授和南洋理工大学Baile Zhang教授、Zheyu Cheng为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金的资助。
声子是固体中弹性波和液体中声波的量子化激发。由于其波长与电磁波相当，且频率与电子电路兼容，光子和声子可以在集成电路内有效地耦合。声子学在现代信息技术中发挥着关键作用，广泛应用于射频信号处理、导航、传感、无损检测、波导、信息处理以及先进的军事和技术系统。然而，传统波导中的弹性波传输在存在结构缺陷和无序的情况下，不可避免地会受到背向散射的影响。
近年来，受凝聚态物质中拓扑绝缘体发现的启发，人们致力于将拓扑概念引入弹性波系统，这些系统支持鲁棒的边缘模式。弹性波拓扑绝缘体（EWTIs）其实现在很大程度上局限于二维单层结构，导致弹性波工程应用性能受限。相比之下，将弹性波拓扑绝缘体扩展到三维可以实现更高性能的弹性波器件，为光子-声子耦合电路的小型化和片上集成铺平道路。在这项工作中，我们将弹性波拓扑绝缘体的研究扩展到二维平面法线方向上的双层区域。
在弹性波结构中实现有效模型具有固有的挑战性，这源于其全矢量特性以及纵波和横波分量之间复杂的耦合。为了克服这一挑战，我们通过夹紧双层结构的上下突出端面来消除纵波的影响，从而实现对结构内横波的直接控制。基于这种边界配置，我们设计并制造了支持两种不同类型边缘态的双层弹性结构—层混合边缘态和层极化边缘态—这些边缘态源于额外的层自由度。这个双层平台可作为探索弹性波系统中拓扑物理的通用测试平台，并为先进应用（如高容错性的层间转换器和分束器）开辟了新的途径。
图1：双层弹性波拓扑绝缘体中的层间转换及波束分离特性
1.双层结构设计，突破单层限制，抑制纵波干扰
传统弹性波拓扑绝缘体（EWTIs）多局限于单层二维结构，限制了弹性波传播维度。本文创新性地引入了双层金属板结构，通过耦合扭曲三角棱柱实现三维方向的波导控制。双层结构通过固定突起端面消除纵波影响，纯化横波传输，避免了复杂耦合问题。这种设计不仅扩展了拓扑物理到多层体系，还显著提升了器件性能。
图2：原胞结构及其色散关系
2. 层自由度引入四大拓扑相，远超单层系统
通过层自由度（layer degree of freedom），BLEWTIs展现出四种拓扑相（而单层仅两种），实现多种畴壁构造和传输行为。
图3：扭转角度变化时的拓扑相变示意图
图4：超胞色散关系及其拓扑态情况
3.高容错性层间转换及波束分离
通过不同超胞组合，实现了两种核心功能：1.层间转换：输入下层的弹性波近乎无损地转换到上层；2.波束分离：单波束高效分裂为上下层双波束。并且具有高容错特性，错误因素对其不产生影响。
本研究设计并实验验证了一种新型双层弹性波拓扑绝缘体，通过引入层自由度（layer degree of freedom），实现了高性能的弹性波传输功能，包括层间转换（interlayer conversion）和波束分离（beam splitting），并展现出卓越的容错性。该项研究为多层弹性波器件的应用开辟了新道路，建立了BLEWTIs的设计框架，并具有广泛的应用潜力，比如多层弹性波器件：BLEWTIs可发展为多通道发射器、光束分裂器和层选择性能量捕获装置，适用于高密度集成电路，在光-力耦合电路中，可实现层间路由和信号处理，提升信息处理效率；信息处理与传感：拓扑保护的弹性波传输对缺陷不敏感，使其在射频信号处理、导航传感和非破坏性测试中具有优势，尤其适用于恶劣环境或长期运行的设备。总而言之，该研究标志着弹性波拓扑绝缘体从二维向三维迈出的关键一步，为紧凑型高性能电-力耦合器件奠定了基础，有望推动下一代通信、传感和计算技术的创新。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202523416
供稿：课题组
