JPD编辑优选：具有水滴形孔的六边形板中拓扑绝缘体实现方法与波传播特性研究
本篇研究来自西北工业大学复杂系统动力学与控制工信部重点实验室张凯副教授和邓子辰教授课题组，本研究建立了一种具有水滴孔的六边形拓扑绝缘体结构。通过打破空间反演对称性，调控弹性波在拓扑绝缘体中的传播行为，实现其在系统中指定界面路径上的传播，并在梯度结构中实现了一种精确控制波传播距离的方法。
文章介绍
Kai Zhang, Fang Hong, Jie Luo and Zichen Deng
通讯作者：
- 张凯，西北工业大学力学与土木建筑学院；复杂系统动力学与控制工信部重点实验室
当此结构具有C6v对称时，其能带结构出现狄拉克点（图2(a)）。将六个水滴孔绕圆心整体旋转角度φ以打破单胞的C6v对称性，仅保持单胞的C3对称性，此时单胞能带结构图中狄拉克点将被打开并形成一条新的带隙（图2(b)）。
利用频率在带隙范围内的弹性波只能在单胞之间界面处传播的特性，选择为图1所示互相相差60°的相α和相β两种带隙相同的单胞，将其组成一个具有界面的拓扑系统，从而实现拓扑保护边缘波在系统界面中的传播。图3显示了不同界面条件下，拓扑保护边缘波沿直线、Z字形和回字形的传播。这种现象可用于弹性波的定向波导中。
由于不同旋转角度水滴孔结构的带隙分布不同，利用此特性，建立了含不同旋转角度φ的梯度系统，实现了对不同入射频率弹性波传播距离的精确调控（如图4所示）。
该研究通过对角度φ的设计，可实现波在结构中传播路径的自由调控，以及弹性波传播距离的精确控制。
近年来，力学超材料得到了学术界的广泛关注。通过对结构的设计，可实现能量吸收、负泊松比、减振降噪、抗冲击、定向弹性波传输、负折射等特性。通过类比量子系统中的量子霍尔效应和量子谷霍尔效应，针对宏观周期固体结构进行设计，使弹性波能够在固体单胞边界处传播，从而实现定向波导，以及波的绕行等现象。此类结构也成为机械拓扑绝缘体。
作者介绍
张凯，西北工业大学副教授、博士生导师，复杂系统动力学与控制工信部重点实验室副主任。主要研究方向为连续系统动力学行为的辛数值分析理论，周期性系统的波传播行为研究。先后主持和参与国家自然科学基金重点项目、重点研发计划等5项国家级项目。获得陕西省科学技术一等奖1项。入选陕西省普通高校青年杰出人才支持计划。