近日，武汉大学刘正猷教授、邱春印副教授研究团队在声子晶体中实现了声波的谷拓扑输运。该研究拓宽了现有的声拓扑材料，在声波调控、通讯等方面具有应用前景。
人们熟知，由于缺乏类似电荷、自旋等自由度，流体中的声波不容易被电场、磁场等外场所调控。刘正猷课题组的一项研究表明，某些声子晶体中存在一种“谷态”自由度，调节它可以实现新的声波操控方式。
所谓谷态，是指能量在动量空间的极值态。在固体中，谷态的分立特性给电子提供了一个额外的自由度，从而有望用于未来的新型电子器件中。形象地讲，“谷态”声场就像是一个个声涡旋组成的阵列，调节声场的传播方向，人们可以控制涡旋的旋转取向。
声子晶体中谷态的涡旋属性
这项工作于2016年2月发表在物理顶级期刊Phys.Rev.Lett.《物理评论快报》上，题为“Valley vortex states in sonic crystals”，这项工作首次研究了经典波体系的谷态，揭示了其涡旋属性并建立激发选择定则。
论文指出，声谷态可由外部声场直接激发，并通过探测声子晶体内外的声场分布展示其极化特性。这种涡旋手性锁定的声谷态输运将为人们提供全新的声波操控方式。考虑到声和物质的相互作用，也可预期谷涡旋态的其它新奇应用，如旋转操纵微颗粒等。
基于以上工作，该课题组进一步指出，存在两类完全不同的声谷霍尔相，它们由声谷态的涡旋取向和位置特性共同刻画。有趣的是，在两异相声子晶体之间的界面可以支持拓扑保护的边缘态。
声子晶体及声谷霍尔相变
研究表明，这种边缘态具备大量的传统声波导所没有的新颖性质，例如谷选择性激发、拐弯抗反射传播等。具体地，研究所涉及的声子晶体由正三角形散射体按六角晶格排列而成。这种设计充分利用了人工晶体的宏观特性：旋转散射体可以产生不同的晶体对称性，从而调控能带的关闭和打开，实现不同谷霍尔相的转变。此外，除了调控工作频率，旋转散射体也可以方便地实现各种界面形态，从而灵活调控声波在界面上的传播。
声波在弯曲通道内无障碍地传播
形象而言，利用这两种不同类型的声子晶体，人们可以构造各种弯曲形状的通道，声波在其中可以顺利地“行走”，就好比秩序良好的单向车道一样。基于该现象，人们可以设计节能的新型声波集成器件。类似的设计原理对其他经典波也适用。例如，人们也可以制造光波的“快车道”，从而催生全新的应用。
该项研究首次在声波体系实验观察到谷霍尔相变及其诱导的边缘态，除了自身相关的应用以外（例如，声波集成通信），也证实谷态物理在量子、经典体系的统一性。该研究将促进其它经典波体系对谷态物理的研究，如光子体系等，从而催生全新的应用。
该研究成果已经以“Observation of topological valley transport of sound in sonic crystals”（声子晶体中声波的拓扑谷输运）为题于2016年12月26日在线发表在Nature Physics上。第一署名单位为武汉大学，物理科学与技术学院博士生陆久阳为第一作者，邱春印副教授、刘正猷教授为通讯作者。该论文受到科技部973项目、国家自然科学基金委基金项目资助。
针对该项研究工作的来龙去脉，知社学术圈（ID：zhishexueshuquan）连线采访了武汉大学刘正猷老师。刘老师介绍说：
该工作主要受近几年热门的谷电子学研究的启发。我们自然地将概念引入到我们有很好研究基础的声子晶体中。2014年，我们做了一个工作，研究了二维体系中Dirac点的存在性，这一工作虽以声子晶体为平台，但其从对称性出发得到的结论是普适的，既适用于经典体系，也适用于量子体系。在这一工作，作为示例，我们通过旋转三角形来改变体系的对称性，显示Dirac点的出现及简并打开情况。Dirac点简并打开就形成了我们所说的“谷”。这是一个重要的工作基础，文章发表在PRB上。
Dirac点简并打开形成了谷，我们就可研究谷态、谷态的性质及效应，这包括了涡旋特性、谷态激发、Hall效应、角动量及力矩效应等。这部分工作就是在文中提到的PRL论文中展现的。
前面提到，那篇PRB论文给出了Dirac点从简并到打开随三角形全范围转角的变化。这张图其实就是一张相图，一个转角对应一个相。这是NP工作的出发点。我们发现，正转角和负转角的相是不同的托拓相，它们的能带刚好反转。在这两种不同相的界面，可形成谷边缘态。无论相界面如何弯曲复杂，谷边缘态具有无阻碍传输的特性，这有重要应用前景。
附论文链接：
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.093901
http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3999.html
本文转载自声振之家
扬声器全自动装配线-深圳市久巨工业设备有限公司
这里是声学楼
微信公众号：acousticsblock
微信二维码：
