近日，东北大学机械学院杨天智教授课题组联合新加坡国立大学仇成伟教授团队、北京理工大学董浩文副教授课题组，在摩尔弹性超表面领域取得研究进展，研究成果以“Twist-on-twist moiré elastic metasurfaces”为题，在 Physical Review Letters 发表。东北大学博士生李孟寒和何宽为共同第一作者。通讯作者为东北大学的杨天智教授、新加坡国立大学的仇成伟教授和北京理工大学的董浩文副教授。哈尔滨工业大学陈立群教授、东北大学韩承霖和北京理工大学任志文也对论文做出了重要贡献。
近年来，“扭转电子学”与“魔角”的概念已从电子系统拓展至光学、声学和热传输等领域，推动了多维物理调控的新进展。例如在扭转双层声学超表面中，已经可以实现在所有扭转角度下，双层摩尔体系的色散曲线会变成平带，从而产生奇异的低损耗、高定向的波传播物理效应。其中超表面的周期性晶格排列、超表面的双层堆叠以及超表面的面内和面外对称性破缺是实现魔角的关键因素。然而，与声学和电磁超材料不同，弹性介质中存在的剪切、拉伸和弯曲等多种振动模式，使得其本构参数调控极为复杂，因此在摩尔双层弹性超表面中实现弹性波的单向极化效应或全向“魔角”传播，仍是一个不易解决的挑战。
针对上述瓶颈，联合团队提出了一种解决方案：设计了一种谐振器形变与层间扭转相互作用的弹性摩尔超表面的概念，并通过结合基尔霍夫板理论、振动仿真测试与色散曲线理论计算，实现了双层摩尔弹性超表面的单向极化和全方向平带调控。其中，解析理论所得结果与振动模拟、实验结果实现定量吻合。
本研究将谐振器的扭转作为调控自由度，实现了对弹性波的有效调控。图1为所提出的摩尔弹性超表面的设计原理以及可实现的极化效果。（a）表示与传统仅靠双层叠加的设计不同，该弹性超表面在上下双层薄板之间引入扭转角θ，同时在局部柱状谐振子单元上施加额外的扭转角γ。这种双重扭转方式能够在面内对称破缺基础上增强面外对称性破缺，进而在色散曲线上实现可控的双曲线到椭圆（H2E）拓扑转变。（b）和（c）显示了相比于传统立柱，由扭曲柱组成的弹性超表面不仅能在特定角度下产生单向极化传播，还能在任意角度下形成“全魔角”低损耗平带输运，实现能量的定向渠化。
图1|在所提出的弹性摩尔超表面上实现的单向极化和全方向“魔角”。a,所提出的弹性摩尔超表面。b,传统的柱状单胞和对应摩尔超表面产生的部分“魔角”。c,扭曲状单胞和对应摩尔超表面产生的单向极化以及全方向“魔角”。
图2通过控制摩尔双层超表面层间的扭转角，研究了不同频率下单胞扭转角对弹性波的调控。激励频率选取在上下层单胞的共振频率之间。在激励频率7800Hz时，通过调控结构的单胞扭转角可以有效调控平带的产生，并且进一步验证了H2E拓扑转变的可操控性。而在7700Hz激励频率下，面外对称性的调控可以有效地触发单向极化效应。这说明谐振器形变与层间扭转相互作用机制能够在同一体系内兼顾双向平带传输与单向传输两种模式。后续傅里叶变换与色散曲线进一步证实了该现象。
图2|不同扭转角和频率下的单向极化和魔角。
图3进一步证明了，当弹性波在超表面中呈现平带传播时，周期性排列的谐振器的弯曲模态会与谐振器中的压缩模态发生耦合。此过程中，局域谐振特性与晶格布拉格散射共同作用，促成了平带的形成。在这一阶段，弯曲模态的能量更易聚集于底部连接的低刚度一侧，从而在一定程度上抵消了由刚度梯度带来的不均衡效应，减弱了色散的不对称性，并促进了波动的均匀双向传输。而当体系进入单向极化状态时，弯曲振动能量则主要分布于高刚度侧，从而建立起与空间位置相关的等效刚度梯度，提升了波的定向传播能力，使能量沿某一特定方向聚集。进一步结合非对称压缩模态的耦合作用，该机制最终演化为单向极化的能量传输通道。激励频率选取在共振频率随扭转角变化较缓的位置处。在后续的仿真计算基础上，实验数据验证了弹性波的全魔角与单向极化。
图4|平带的位移场分布曲线。
该研究通过设计谐振器形变与层间扭转相互作用策略，在弹性超表面中同时引入面内与面外对称性破缺，实现了对弯曲波传播方向与损耗的有效控制。所提出的理论模型不仅解释了弹性波全魔角与单向极化现象的物理机制，还通过实验验证了其可行性，为开发新型波导器件、无损能量传输及可编程超材料奠定了基础。
文章链接:
https://journals.aps.org/prl/accepted/10.1103/qw7j-fj7b
撰稿|课题组
