浙江大学航空航天学院陈伟球教授课题组,首次通过对结构边界的截取实现了对声学拓扑边界态的调控,为操控声波的传播方向及路径提供了全新方案。
拓扑声学超材料具有很多优越的性质,例如具有受拓扑保护的边界态,声波在其中传播时对缺陷不敏感、有很强的抗散射性,为波导等声学器件的设计开辟了新思路。
拓扑超材料构建的关键在于频散曲线在布里渊区发生简并出现狄拉克锥,而基于声谷霍尔效应构建的拓扑超材料的机制是通过打破结构对称性使狄拉克锥打开,产生新的带隙。此类拓扑超材料可以使声波在结构的边界进行双向传播,因此具有更丰富的波传播形式,近年来得到了物理、力学、器件等领域研究人员的普遍关注。
近期,SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy (SCPMA,《中国科学: 物理学 力学 天文学》英文版) 2020年第2期在线发表了浙江大学陈伟球教授课题组的研究论文:Tailoring edge and interface states in topological metastructures exhibiting the acoustic valley Hall effect。
文中构造了谷霍尔声学拓扑超材料,并首次通过改变边界的截取形式对单一结构边界态的存在位置及覆盖的频率范围进行了调控,实现了声波的单向传播。结合叠加结构产生的界态,设计了界面态/边界态的相互转换开关,使声波的输出位置、传播方向及传播路径有了更多的选择。
图1 拓扑超材料结构示意图
图2 r=0及r=0.1/-0.1时对应的频散曲线
如图1所示,相邻三角形的边长之比为d1/d2=(1-r)/(1+r),当r≠0时,结构对称性被破坏,如图2所示,在频散曲线中,K点的狄拉克锥打开,出现了新的带隙,由此构造了基于谷霍尔效应的声学拓扑绝缘体,其在带隙范围内产生的边界态具有双向传播的特性。
图3 边界选取对单一结构边态的调控
如图3(a)所示,在上边界中间位置加载点源,声波沿左右双向同时传播。该研究揭示,通过改变局部边界的选取方式,可实现声波单向/双向传播以及输出位置的自由调控,如图3(b-d)所示。除此之外,如图4所示,结合叠加界面产生的界面态,通过边界对传播路径进行设计,构建了界面态/边界态的相互转换开关。
图4 边界选取的边态/界态开关作用
通过合理的结构设计在结构边界处形成边界态和在具有不同涡旋态结构的界面处形成界面态(界态),充分展示了声波传播路径的可调控性,对可调声学器件的设计提供了新思路。