撰稿|本文由课题组投稿
近日，西安交通大学机械工程学院吴九汇教授和马富银副教授课题组基于结构的高对称性，通过局域共振和Bragg散射之间的协同调控，实现了多频带声拓扑谷态传输，并依据耦合效应发现了边界态频带的界面分离特性，通过右手法则获得了判断分离边界态类型的方法。
相关研究成果以“用于多频带声拓扑谷传输的谐振-散射混合器件”（Resonant-scattering hybrid device for multiband acoustic topology valley transmission）为题，发表在《Physical Review B》[Phys. Rev. B 104, 094110, 2021]上。西安交通大学为第一作者单位和唯一通讯单位，机械学院博士生黄镇为第一作者，吴九汇教授和马富银副教授为共同通讯作者。
兴起于电子系统的拓扑边缘态，具有受拓扑保护且背散射抑制的单向能量传播特性，成为凝聚体物理领域的热门研究课题。近年来，关于电子系统拓扑保护边缘态的进展启发了声学系统中声边缘态的研究，其中声谷霍尔边缘态由于其相关联的晶格结构对称性具有设计灵活的特点，获得越来越多的关注。然而，多频带的声拓扑态研究受限于结构尺寸，而不能得到快速发展。另外，目前的边缘态所关联的体带隙主要与Bragg散射有关，而散射体自身的共振特性（局域共振）也可以实现体带隙，因此结合两种带隙机理有望实现频带范围可设计的多频带声谷边缘态。
因此，课题组结合两种带隙机理，并依据晶格对称性的叠加特性，实现了各频段可独立设计的多频带声谷态输运，并依据不同界面态的频带分离现象，提出右手法则以实现对分离边缘态类型的判断。
研究团队首先研究了局域共振和Bragg散射耦合对狄拉克点频率的影响，如图1所示，在初始元胞中引入共振腔后，当共振腔的共振频率和Bragg散射频率差别较大时，两种带隙在结构对称性的保护下产生的狄拉克点的模态是独立的，且声场分布具有明显的对称性；而当两者的频率相近时，狄拉克点模态随着声场中散射强度的变化呈现出一个动态耦合过程。
图 1 局域共振和Bragg散射耦合对狄拉克点频率的影响
随后，作者构造了一种包含两种晶格对称性（C3v）的结构，结构参数的获取来源于对两种带隙机理耦合特性的分析。如图2所示，可以得到频率范围可调的四个边界态带隙，其中第一带隙形成主要来源于局域共振的影响，第四带隙的形成中Bragg散射起着主导性作用，而第二带隙和第三带隙的形成是局域共振和Bragg散射共同作用的结果。基于两种带隙机理对狄拉克点频率的影响规律，实现了多频带的声拓扑谷边缘态的传输。
图 2 多频带的声拓扑边界态设计
上述中第二和第三体带隙中的边界态呈现出频带分离的特性，这一特点丰富了对边界态的调控手段。然而，不同边界态所呈现的分界面类型是不同的，为了分辨出不同分界面的边界态，作者利用谷态的涡旋特性提出了一种右手法则，实现了对分离边界态类型的判断，如图3所示。
图 3 分离边界态的类性判断
该工作利用晶格对称性的叠加，并结合局域共振和Bragg散射的耦合效应，为多频带声拓扑谷传输设计提供了新方向。相关技术可以推动声通信、声/电集成等工程应用的进展。该工作得到了国家自然科学基金资助项目（No. 51675401, No. 51705395）的支持。
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.104.094110
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，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。
