JPhysD编辑优选：基于谷边界态分离的多频带及选择性声传输
文章介绍
Zhen Huang（黄镇）, Jiu Hui Wu（吴九汇）, Yao Huang（黄耀）, Chongrui Liu（刘崇锐）, Chen Chen（陈琛） and Fuyin Ma（马富银）
通讯作者：
- 吴九汇，西安交通大学机械工程学院&机械结构强度与振动国家重点实验室
- 马富银，西安交通大学机械工程学院
研究背景：
狄拉克简并是实现拓扑相变的关键，而布里渊区高对称点处的双重简并可以是确定性的，也可以是偶然性的。确定性简并依赖于晶格的高对称性，而偶然性简并受制于散射体之间的散射强度。对于确定性简并，通常采用旋转-散射机制打破声子晶体的镜像对称性，以获得全向带隙。禁带形成机制主要有两种:布拉格散射机制和局域共振机制。对于布拉格散射产生的带隙，波长与声子晶体的晶格常数相当。而局域共振机制可以使声子晶体的带隙所对应的波长远大于晶格常数。目前的研究表明，一个狄拉克锥只能产生一个边界态频带，因此需要构造多个狄拉克锥才能实现多个边界态频带，这增加了实现多波段谷态传输的工程应用难度。因此，利用局域共振和布拉格散射耦合效应产生的单狄拉克锥实现非常规双频带具有重要的意义。
研究内容：
利用局域共振和布拉格散射的耦合强度，提出了一种获得多波段选择性声谷传输的声谷霍尔系统。在高晶格对称性的保护下，在第一布里渊区角点出现了两个确定性的狄拉克点，这些狄拉克点的频率与局域共振和布拉格散射的耦合强度有关。采用旋转-散射体机制实现了谷霍尔相变。随后，本文通过由不同谷霍尔相的声子晶体组成的超元胞的色散关系，发现边缘态的频率具有界面依赖性。此外，散射体的旋转角度可以分离出不同界面的边缘态的频带，这是因为Bragg散射和局域共振的耦合效应改变了声子晶体能谷处原胞中心的声能涡旋旋向。受这些有趣发现的启发，本文通过数值计算和实验研究，利用拓扑界面态的带分离现象实现了多波段且具有选频特性的声谷边界态输运。该研究为多波段多通道的声通信和声学诊断等潜在工程应用提供了理论基础。
图1.（a）三角晶格原胞示意图。(b) 三角晶格的能带结构。实线和虚线分别表示散射体在旋转角θ=10°和θ=0°时的色散关系。插图为第一布里渊区。(c)、(d) 中间面板表示谷频率随旋转角θ的变化，上下面板分别表示狄拉克锥Ⅰ和Ⅱ分裂产生的谷态的声压分布。橙色实线代表谷态K1和K4，蓝线代表谷态K2和K3。红色箭头表示声波的能量通量，白色圆圈箭头表示手性涡旋。
图2. (a) 数值计算和实验测试得到的狄拉克锥I附近两个界面态的传输损耗。蓝色实线（TLs-Ⅰ1）和紫色实线（TLs-Ⅰ2）分别代表界面Ⅰ1和Ⅰ2的数值解；带符号线代表实验测量结果，其中黑色圆圈（TLe-Ⅰ1）和橙色三角形（TLe-Ⅰ2）分别代表界面Ⅰ1和Ⅰ2的结果。(b) 狄拉克锥Ⅱ附近Ⅰ1和Ⅰ2界面的声谷输运损失。(c) 实验装置图片。
图 3. (a), (b) 激发频率分别为5060Hz和5500Hz的声强分布。图中蓝色虚线和绿色箭头分别表示界面的位置和传播方向。(c) Dirac 锥Ⅰ产生的边缘态的传输损耗。黑色、橙色和蓝色线分别代表端口Port-2、Port-3和Port-4。灰色阴影区域对应于仅属于Ⅰ型界面的边缘态频率。(d),(e) 分别为7380Hz和8120Hz激发频率下的声强分布。(f) 狄拉克锥Ⅱ产生的边缘态的传输损耗。灰色和黄色阴影区域分别代表频段范围从7280Hz到7640Hz和从8510Hz到8650Hz的边缘态频率。
作者介绍
吴九汇 教授
西安交通大学
- 吴九汇教授，西安交通大学机械工程学院。主要研究方向：振动与噪声控制、光子晶体/声子晶体理论及应用研究、纳米力学。
马富银 教授
西安交通大学
- 马富银教授，西安交通大学机械工程学院。主要研究方向：机械超结构、高端装备动力学与控制。
期刊介绍
- 2022年影响因子：3.4 Citescore: 5.9
- Journal of Physics D: Applied Physics（JPhysD，《物理学报D：应用物理》）发表应用物理各领域的前沿研究和综述，具体包括：应用磁学和磁性材料、半导体和光子学、低温等离子体和等离子表面相互作用、凝聚态物理、表面科学和纳米结构、生物物理以及能源等六个领域。文章类型包括原创性论文、研究路线图、通讯以及每年针对热点研究的专题综述和特刊。