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昆明學院楊海研究團隊在國際高級別刊物上發表文章:聲谷霍爾拓撲絕緣體中的多通道輸運

來源:物理科學與技術學院 作者:文圖/楊海研究團隊 發布時間:2021年02月26日 10:23:23

近日,昆明學院物理科學與技術學院楊海研究團隊在APS國際物理學期刊 Physical Review Applied 上以“Multichannel Topological Transport in an Acoustic Valley Hall Insulator”為題發表關于聲波分束和聚合的研究成果。

聲音在空氣中可以四方八面傳播,如何讓聲波單一方向傳播和分叉,即分束,又能讓聲波像電子波一樣完成計算機的邏輯運算,也就是我們能否控制聲波只能朝一個方向或者幾個方向傳播,這幾個問題一直是科學家非常關注的問題。

昆明學院物理科學與技術學院楊海教授課題組在完成理論計算和制備樣品的基礎上,在中國科學院北京聲學研究所賈晗教授課題組指導下完成實驗測量,通過兩種不同谷界面態的研究,不僅在理論上展示谷界面態的聲波分束和聚合現象,而且在實驗中驗證了谷界面態的多通道傳輸。

在研究中,空心三開口圓柱構成二維三角晶格,它的空間反演對稱性可以通過旋轉來打破,對稱性降為可以C3v從減低到C3。,以此實現對稱破缺。如下圖1,楊海課題組計算給出二維聲子晶體結構、不同旋轉角度對應的能帶結構和相變圖,可以看到通過旋轉圓柱,聲音形成環流,環流分為順時針和逆時針。

 

1二維聲子晶體、帶結構和相變圖

根據上圖中的相變圖構造具有不同界面(Zigzag界面和Armchair界面)的異質結,楊海課題組理論計算出如下圖2所示的帶結構和谷態聲壓分布。可以看出,具有Armchair界面的異質結構的谷界面態存在于整個動量空間中;然而,具有zigzag界面的異質結構的谷界面態只存在于動量空間的一半。因此,具有zigzag界面的異質結構的谷界面態是純谷態,而具有armchair界面的異質結構的谷界面態是混合谷態。這種特性為交叉波導中的聲波分束和聚合提供了基礎。

2 具有Zigzag界面(水平)和Armchair界面(豎直)的兩種異質結構、對應的色散關系,以及相應的的總壓力場分布

在下圖中,從理論上給出了圓柱彎曲、圓柱變為空洞、圓柱變為無序,都不影響谷態的單向傳輸(a1-a4)。內插圖中紅色表示界面。

谷界面態的穩健性的理論證明

在界面相互垂直的交叉波導中,實驗驗證了理論上的聲波分束和聚合,如下圖4所示。

谷界面態聲波分束和聚合和邏輯門功能

最后,在上述結果的基礎上,實現聲波分束和聚合,并在實驗上實現復雜波導中谷界面態的多通道輸運。如下圖5所示,利用具有不同路徑的復雜波導,可以將某個方向的聲波近乎無損的傳輸到一或多個特定的方向,例如單通道傳輸中向右傳播,雙通道傳輸中向上和下傳播,以及三通道傳輸中向上、下和右傳播。此外,只要谷界面狀態頻率合適,不同方向傳輸的聲波振幅可以使之相等。這些結果有助于利用具有不同界面的復雜波導構造多通道聲谷拓撲輸運器件。

5多通道傳輸的實驗驗證

本研究工作利用zigzagarmchair界面的谷界面態的差異,不僅實現了交叉波導谷界面態的聲波分束聚合現象,并得到了一個可控邏輯門。更重要的是,谷界面態的多通道聲學拓撲輸運得到了模擬和實驗的驗證。研究為探索復雜波導中多通道聲谷拓撲輸運提供了一種有效的方法,這種方法可以推廣到其他聲谷材料(如水下和彈性聲子晶體)

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