导读
近日，湖南大学机械与运载工程学院夏百战课题组利用二维声子晶体板，在实验上验证了具有拓扑保护角态的弹性高阶拓扑绝缘体，在声子晶体板的稳健局域谐振控制，弹性波能量回收，结构振动拓扑控制等领域具有良好的应用前景。该研究成果以“Elastic higher-order topological insulator withtopologically protected corner states”为题在线发表在《Physical Review Letters》。机械院硕士研究生范海燕（导师：夏百战副教授）为该论文的第一作者，夏百战副教授为论文的通讯作者。
受凝聚态物理拓扑态的启发，光子和声子拓扑绝缘体已成为控制光波和声波稳健传播的革命性技术。光子和声子晶体受拓扑保护的边缘态由整体拓扑不变量和体能带的贝利相位决定，符合体边对应原理。最近，研究人员在拓扑绝缘体中观察到了由体极化所决定的新拓扑相族，并从理论上预测了高阶拓扑相。迄今为止，各国学者在机械、电磁系统和具有量子化四极偏振的电路中证明了高阶拓扑绝缘态，并且通过实验在光学和声学系统实现受拓扑保护的零维角态。
弹性波已在声子晶体中展现出负折射、超聚焦和隐身斗篷等奇异的性质。受声学和光学系统中拓扑特性的启发，弹性声子晶体板中受拓扑保护的边缘态也得到了许多关注。但是，在此研究之前，连续弹性声子晶体板中高阶拓扑态尚未通过实验得以证实。
在此项工作中，研究人员在二维弹性声子晶体板中实现高阶拓扑态。该声子晶体板是通过从丙烯酸酯板中切割六角形块体，并且在每个节点的上下两侧连接两个圆柱形镀镍钕磁体作为附加质量构成弹性蜂窝晶格而形成。在由收缩原胞构成的正六边形样品中，研究人员通过仿真和实验发现完全带隙频率范围中存在具有带隙的一维边界态、平庸的零维角态和受拓扑保护的零维角态。除此以外，通过对正六边形和正三角形样品进行仿真和实验对比发现，平庸的角态既存于钝角角点处也存在于锐角角点处，而受拓扑保护的角态只存在于钝角角点处并且具有较强的抗缺陷能力。该研究为拓扑保护的局域共振以及二维面态、一维边态和零维角态间弹性能量的拓扑变换开辟了一条新的途径，在能量回收、振动控制等领域具有良好的应用前景。
该工作得到了装备预研教育部联合基金青年人才基金、国家自然科学基金创新研究群体项目的资助。
图1：a. 蜂窝晶格的一个复合胞，六对磁铁吸附在六个节点处。b. 蜂窝晶格的部分示意图。其中，绿色六边形表示复合胞，绿色平行四边形表示最小单胞。c. 具有双狄拉克点的未缩放复合胞的能带结构。d. 具有完全带隙的收缩复合胞的能带结构。
图2: a．由膨胀复合胞组成的条状超胞的能带结构。b. 由收缩复合胞组成的条状超胞的能带结构。
图3: a-c．膨胀单元、收缩单元、带缺陷（红虚线框）的收缩单元构成的正六角样品图。d-f. 膨胀单元、收缩单元和带缺陷的收缩单元构成正六角形样品特征频率分布的仿真结果。g-j. 体态、拓扑角态、平庸角态以及边界态的仿真位移场图。
图4: a．膨胀单元构成的正六边形的传输图谱。b. 收缩单元构成的正六边形的传输图谱。红线、绿线和黑线分别代表角、边界和体上测得的能量传输率。
图5: a-b．收缩单元和带缺陷（红虚线框）的收缩单元构成的正三角样品图。c-d. 收缩单元和带缺陷的收缩单元构成的正三角形样品特征频率分布的仿真结果。e-g. 边界态、平庸角态以及体态的仿真位移场图。h. 不带缺陷的正三角形角传输图谱（黑线）和带缺陷的正三角形角传输图谱（红线）。
文章链接
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.204301
来源：湖大机械波与声超构材料课题组
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